设计*线性* MOSFET 驱动器级

电器工程 运算放大器 场效应管 模拟 MOSFET驱动器 栅极驱动
2022-01-12 11:14:44

我正在寻找可以放置在运算放大器和功率 MOSFET 之间的 MOSFET 驱动器电路,以将晶体管作为线性放大器(而不是开关)运行。

背景

我正在开发一个电子负载电路,它必须能够在大约 1µs 内步进负载。最重要的步长很小,比如 100mA,尽管一旦我解决了这个问题,我可能还想获得 2.5A/µs 的大信号步长速度。它应能适应 1 至 50V 的电源、0 至 5A 的电流,并且能够消耗大约 30W 的功率。

这是目前电路的样子。自从出现在较早的问题中以来,我已经用我能找到的最小电容器件 (IRF530N -> IRFZ24N) 替换了 MOSFET,并在停留期间转移到了相当宽的带宽、高转换率运算放大器 (LM358 -> MC34072)在果冻豆领域。出于稳定性目的,我目前在运算放大器上运行大约 4 的增益,这给了我大约 1MHz 的带宽。以下为任何感兴趣的人提供更多背景信息。

示意图

问题

虽然电路性能相当不错,但现在的问题是稳定性,嗯,不稳定:) 它不会振荡或类似的东西,但阶跃响应的范围可以从过阻尼(无过冲)到非常欠阻尼(20%过冲,三个凸点),具体取决于正在加载的源。较低的电压和电阻源是有问题的。

我的诊断是 MOSFET 的增量输入电容对负载源的电压以及任何源电阻产生的米勒效应都很敏感,这实际上会从运算放大器的产生一个“漂移”极点与MOSFET的源极相关RoCgate

我的解决方案策略是在运算放大器和 MOSFET 之间引入一个驱动级,以向栅极电容提供低得多的输出阻抗(电阻),将漂移极点驱动到它不能达到的数十或数百 MHz 范围内做任何伤害。

在网上搜索 MOSFET 驱动器电路时,我发现大多数情况下都假设人们想要尽快完全“打开”或关闭 MOSFET。在我的电路中,我想在其线性区域调制MOSFET。所以我没有找到我需要的洞察力。

我的问题是:“什么驱动电路可能适合调制 MOSFET 在其线性区域的电导率?”

我看到 Olin Lathrop 在另一篇文章中顺便提到,他会不时使用简单的发射极跟随器来完成类似的事情,但这篇文章是关于其他事情的,所以只是提及。我模拟在运算放大器和栅极之间添加一个射极跟随器,它实际上为上升稳定性创造了奇迹;但是秋天一切都糟透了,所以我认为这并不像我希望的那么简单。

我倾向于认为我需要一个大致类似于互补 BJT 推挽放大器的东西,但预计会有细微差别来区分 MOSFET 驱动器。

你能勾勒出在这种情况下可能起到作用的电路的粗略参数吗?


感兴趣的进一步背景

该电路最初基于最近停产的 Jameco 2161107 电子负载套件。我的现在比原来的补充少了大约 6 部分:)。对于像我一样对这类事情感兴趣的人来说,我目前的原型看起来像这样:)

原型

源(通常是被测电源)连接到前面的香蕉插孔/接线柱。PCB 左侧的跳线可选择内部或外部编程。左边的旋钮是一个 10 圈的电位器,可以选择 0-3A 之间的恒定负载。右侧的 BNC 允许任意波形将负载控制在 1A/V 的水平,例如,使用方波来步进负载。两个浅蓝色电阻器构成反馈网络,位于机加工插座中,无需焊接即可更改增益。该装置目前由一个 9V 电池供电。

任何希望追踪我的学习足迹的人都会在这里找到我从其他成员那里得到的极好的帮助:

我非常惊讶像这样一个简单的项目已经如此丰富的学习动力。这让我有机会研究相当多的主题,如果在没有具体目标的情况下进行这些主题会变得如此枯燥:)

4个回答

这确实是一个有趣的问题,因为由米勒先生引起的有效负载电容随负载电阻的变化,并且您不需要过度补偿它。

我怀疑一个偏置的推挽式 BJT 输出驱动器可以正常工作 - 可能是 4 个小型 BJT(2 个连接为二极管)一个偏置电阻加上每个发射极退化可能有几个欧姆。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

如果我这样做,我会很想扔一个更强大但仍然相当便宜的放大器,例如LM8261

结果报告

好的,简短的故事是:添加离散缓冲区有效!也就是说,我不认为我会以这种方式设计我的电路,而是我会接受@Spehro 和@WhatRoughBeast 的建议,只使用具有更高电流输出能力的运算放大器,基本上缓冲级构建正确进入运算放大器。

这是我使用的电路。与@Spehro 提供的非常相似,但实际上正是@gsills 推荐的 LH0002 数据表中的那个。基本上它使用完全相同的部件(偏置电阻值 5k 而不是 1k)只是几个不同的连接,并且......数据表显示该电路的电流增益为40,000好吧,我的贪婪完全占了上风,我决定选择两阶段版本:

在此处输入图像描述

它模拟得很好,所以我在 5 x 7 位的 veroboard 上构建了它,并将它作为子板安装在我的原型上:

在此处输入图像描述

瞧!非常接近 1µs 的上升 (1.120µs) 和坚如磐石,从略高于 0V 到 30V 没有过冲,电流从 100mA 到 2.5A。

在此处输入图像描述

1.42µs 的下降时间稍长:

在此处输入图像描述

现在这实际上有点令人惊喜,因为当我在安装之前在工作台上对其进行测试时,电路本身并不是特别稳定。谁知道像这样的缓冲电路可以自行振荡?好吧,显然除了我之外的每个人,我一搜索就发现了 :) 而且频率也很高,比如 25MHz。我仍然不完全理解为什么会这样,但显然射极跟随器非常接近 Colpitts 振荡器,这个电路是四组射极跟随器,只是寄生电抗的错误位可以让事情唱歌。我希望我的测试引线是它需要的所有寄生元件。此外,一些输入电阻用于解决它(通过“破坏”我相信的储能电路的),所以也许QRo运算放大器也有助于解决方案。

所以这绝对是一次丰富的学习经历。我终于真正了解了推挽式 BJT 放大器,我现在对电路的性能感到非常满意。我想我可以通过调整增益来获得低于 1µs 的带宽,以获得更多的带宽,也许是 3 而不是 4 的增益。

也就是说,我不认为在“生产”电路中添加分立驱动器级是最好的选择,所以我订购了一块评估板并推荐了 LM8261 @Spehro 的样品。这绝对是一款令人印象深刻的运算放大器。我不知道有运算放大器之类的东西可以驱动“无限电容”。数据表显示了一个驱动 47nF 的电路,这比我需要的要多。

因此,一旦零件到达,我们将看看情况如何:)

虽然我大体上同意 Spehro 的观点,但我认为您应该注意一些事项。

首先,您必须在电源线上添加一些去耦。9 伏电池不会有您需要的性能。尝试大约 10 uF 的钽,尽可能靠近放大器。从图片上看,似乎可能有一个电解液提供此功能,但您没有在原理图上显示它。更好的是,获得 12 伏(最好是线性)电源,完全放弃电池。(请注意,您仍然需要解耦,但至少您不必担心电池电量不足。)

其次,尝试将示波器接地连接到功率电阻器的接地侧,而不是输入线。这不应该有很大的不同,但无论如何这是一个好主意。

第三,Spehro 太温和了——你的运算放大器不会做你想做的事。首先,它的稳定时间被列为 1.1 微秒到 0.1%,并且没有任何外部阶段。其次,您的门在输出端提供了 370 pF 的负载,这很可能是不稳定的来源。LM8261 的标称建立时间为 400 纳秒,特别是在指定负载为 500 pF 的情况下,是一个更好的选择。不过要注意 - LM8261 的更宽带宽将允许其他一些振荡源的可能性,所以要做好准备。你的 pcb 的布局看起来很紧凑,这应该不是问题,但你永远不知道。

第四,如果您真的希望将 50 伏的电源加载到 5 安培,您必须放弃消耗 250 瓦的功率。30瓦只是一厢情愿。这几乎肯定需要多个 FET 和更大的散热器,可能需要强制风冷。

只是一个建议......我正在寻找一个采用 SOT23-5 封装的 LM8261 替代品,以在线性模式下驱动 IXTN90N25L(23nF Ciss)等 MOSFET。发现 LM7321 具有更高的输出电流额定值和与 LM8261 相似的带宽。当然,通过去掉 SOT23-5 限制,您可能会发现其他更高输出电流的运算放大器,只需使用 ti.com 选择即可。