PMOS驱动SO EASY？

由于打算使用buck/boost的driver做一个电路板，要求输出电流为恒流，如果将MOSFET对地，那么输出电流就不好检测了，又要回到高压共模差分放大器上，这样成本比较高，于是想到使用PMOS作为开关，输出负压，虽然检测电流的信号为负值，但是加一个普通的运放来解决。但是涉及到MOSFET放在高位的问题，之前并没有对PMOS的驱动在意过，认为比较简单，但是此次仿真发现，问题还是比较复杂。

首先从英飞凌的一个应用注释里面“Infineon-LITIX  Power TLD5098EL with IO Filter-PP-v02_00-EN”看到一个PWM调光时，使用了一个PMOS驱动，具体电路比较简单，可见文献的p25页。于是也想模仿下，感觉PMOS驱动很容易。

但是问题马上就来了，仿真发现，PMOS驱动出现了奇怪的现象，仿真的线路如下，目的是想使用一个100kHz的频率驱动PMOS。但是结果很意外，

仿真波形如下：

可以发现，PMOS的gate的电压信号不是一个脉冲波，并且无法将PMOS关断。以至于PMOS一直处于线性放大状态。乍一看还以为仿真软件有问题，但是毫无疑问的是，这次的软件肯定是正版的，并且一定以及确定是正版软件，所以肯定是电路上有问题。于是又画了一个电路，验证下所选的元件库是不是太特殊了，

图3-1

重新画出的仿真电路如上图所示，零件没有更换，只是把驱动三极管的信号换成了直流电，结果如下，

发现结果挺正常的，PMOS又被正常的开通了，并且电压数值和预想的一样，所以库文件中的元件很正常。但是这个是完全低频直流电驱动的结果。

后来怀疑三极管Q1 的速度不够快，于是将其换成一个NMOS，如下图：

图3-1

但是仿真的结果和图2-1中的结果没什么两样，还是没有将PMOS关断，于是进一步怀疑是开关频率太高了，将驱动脉冲的频率改为10k,然后再次仿真，结果如下：

图3-2  V[n014]: Gate voltage  of M4 ; V[n007]: Vg of M2;

终于发现是PMOS的关断时间太长引起的。但是关断时间为什么这么长呢？这个驱动的方法很容易让人想到驱动　NMOS 的电路，如图4-1所示，门极也仅仅是接了电阻，但是NMOS的驱动却很理想，如图4-2所示。同样都是结电容的充放电，为什么有这么大的区别。

图4-1

NMOS的放电缓慢模拟

图4-2  -上图4-1左图的仿真结果

仔细对比发现，对于驱动图4-1中的NMOS，充电回路不用解释，电源信号通过电阻R2 充电，但是当关断时，电源电压设置为0V，这个就有很大的玄机，0V等于将R2 的左边接地，所以结电容很快通过R2释放电荷，所以很快就将NMOS关断了。实际中的IC驱动时，都会有“出电流”和“灌电流”，而“灌电流”，就是相当于将NMOS的结电容放电。如果驱动脉冲信号在关断时呈现“高阻态”，那么结果是NMOS的结电容只能通过R1 （10kOhm）的电阻放电，这个放电的速度就会很慢，可以通过在脉冲电源里面串联一个二极管就能看出来，如图4-1右边的回路。

再回过头看图3-1驱动PMOS的电路，在开通PMOS时，结电容的电压需要下降，相当于要对电容反向充电（虽然看起来好像是电容在放电），这个很容易实现，通过电源以及R9很快将电容充电。但是关断PMOS需要结电容充电，此时结电容并没有快速放电回路，结电容只有通过电阻R12将电荷释放掉之后，门极的电压才能上升，所以出现关断时间很长的现象。

所以英飞凌文件中推荐的电路只能适合频率很低的调光场合。并不能用于开关电源频率的MOSFET的开关 。

接下来就是找到一个合适的能够驱动PMOS的电路才行。

1. 时序问题，在刚上电时，PMOS的门极必须是高电平，否则PMOS就自己开通了，或者门极没有回路也行。

在电源网上搜到一个如下的驱动： 这个电路的原理是，关断时，利用Q1导通给结电容充电，在脉冲V4 为高电平时，Q1 截止，PMOS的结电容通过电源V3 ，D2 ，R2 以及Q2形成充电回路。

N[006]:V4驱动脉冲波形，N[005]绿色：三极管Q2的集电极波形V[n003]: gate of M2

发现驱动有很大延时 ，主要是三极管Q2的关断花了很长时间。如图中波形所示，绿色线在v4关断之后，仍然处于导通状态。另外开通的速度还是很慢。于是将Q2从三极管更换一个信号MOS管，类似于2N7002。

图6-1 将三极管2N3904换成NMOS-2N7002

仿真结果如下，

图6-2  N[006]:V4驱动脉冲波形，N[005]绿色：MOS的漏极波形

结果发现关断延时的现象没有了，只剩下开通的速度太慢了，只有将电阻R2 的数值进一步减小才能加快开通速度，但是如果减小了电阻R2 的数值，那么在稳态时，电阻R2 以及MOSFET-M1 中就会流过很大的电流，例如把R2改为100 Ohm的话，那么R2 中的电流有９０ｍＡ，这个电流同时会出现在10V的稳压管中，有这么大的电流，稳压管早就坏了，所以这个电路还是不够实用。

不得已的情况下，只能再次求助于“图腾柱”驱动了，如下图：

带有图腾柱(totem-pole) push-pull的驱动

N[006]:V4驱动脉冲波形，N[003]红色：MOS的S-G极波形

这么一来，驱动波形正常多了，稳压管中的瞬间电流也不是很大，完全可以接受，这个电路开通是利用Q2 的瞬间导通实现将结电容反向充电，此时R1 电压瞬间变成10V左右，Q2导通。在关断的瞬间，Q1 导通，结电容通过Q1 迅速释放电荷。

该电路虽然实现了ＰＭＯＳ的驱动，但是驱动电压严重的依赖于电源电压，如果电源电压降低，那么PMOS的Vgs的压差也变低，对于那种宽电压范围例如6V~16V的供电情况下，还需要调整R1，R2 的比例，但是都无法得到一个十分满意的效果。

如果此时再次将信号MOSFET-M1更换成BJT，例如2N3904，仍然发现关断有严重的延时。

-流传很久的自举电路：

PMOS的自举电路和NMOS的自举驱动还不一样，有一个十分简洁的自举驱动如下图所示：

PMOS

N[004]:V4驱动源脉冲波形，N[002]红色：MOS的漏极波形；N[003]蓝色：MOS的S—G极波形

这个电路看上去很简洁实用，但是隐藏的隐患确是显而易见的，一个是之前提到过的，上电瞬间要保持PMOS处于关断状态，但是由于自举电容本身上面没有电荷，所以需要充电，导致在上电瞬间，PMOS 的门极电压总是小于S端电压，MOS管一直导通；另外，如果输入电压发生突变，特别的情况是，输入电压由低向高突变，此时自举电容C1仍然需要一小段充电时间，但是Vin的输入很快，导致了门极变化的速度小于S极，也会造成MOS一直导通，如果电路使用在半桥，/全桥/同步整流等电路中，这些电路中的PMOS一般放在上端，由于上端和下端的MOS是轮流导通的，在输入电压突然上升的时候，如果使用这种自举驱动电路来驱动PMOS，那么就很容易造成输入电压短路，因为下端的NMOS一旦导通就造成了“上下直通”。

下图就是这种情形的仿真结果，可以看到，在输入电压刚启动，以及输入电压跳变时，ＭＯＳ－Ｍ１　一直导通，所以这个电路使用的时候要特别的谨慎。

• 对于启动时序，要等电压上升好以后，在将ＰＷＭ－ＩＣ启动，
• 最好不要用于电压突变场合，例如笔记本的供电，插入适配器的时候，突然从电池电压（11.1V or 14.8V 跳变为19.5V ） 以前有过案例，在适配器刚插入笔记本时，笔记本屏幕一黑，再也不亮了。这是由于里面的背光电路采用了半桥逆变驱动CCFL。 但是半桥逆变的上管采用了PMOS， 而PMOS的驱动就采用了上述的自举驱动方式。这个案例最后以降低稳压管D1电压用于加快C1 的充电速度，虽然PMOS导通了，但是大部分时间处于线性放大状态，只能靠短时间扛过去这样的方式来收场，即便如此，这个隐患还是存在。这类笔记本不能经受频繁的热插拔。

输入电压跳变时，PMOS自举驱动存在的隐患

N[002]红色：MOS的漏极波形（output）N[003]紫色：MOS的S—G极波形

可见这个传统的PＭＯＳ的自举电路还是有很大的缺陷的，它的应用只能在输入电压稳定的情况下才能良好工作，并且一定要注意IC和输入电压的时序，输入电压稳定后再启动PWMIC。

不过图腾驱动不用担心输入电压突变以及启动初期的问题，由于没有自举电容。

经常见到很多NOMS 用于上端的情形，这时候NMOS也需要自举，同样存在自举电容，但是我们不要担心这个电压突变以及启动初期的问题。在启动初期，IC会给下端的MOS输出驱动信号，让自举电容充电，用于获得足够的电荷；即使输入电压由低向高突变，那么顶多只会存在上端的NOMS驱动电压不足的现象，不至于会导致上下直通的现象。如果是输入电压由高到低突变，那么更加省事了，自举电容可以省去好几个充电周期。换句话说，IC把这些担忧都解决了。

对于图腾柱的驱动，不用担心那种启动时候以及电压突变的隐患，如下图仿真结果，图腾柱驱动可以很好的跟随输入电压的变化，因为图腾柱里面没有电容。

带有图腾柱(totem-pole) push-pull的驱动，输入电压跳变

N[001] input voltage ; N[002] output voltage ; N[005]蓝色：MOS的S-G极波形

N[011]:V4驱动脉冲波形，N[009]：MOS-M9的D-S波形

Expanded ---N[001] input voltage ; N[002] output voltage ; N[005]蓝色：MOS的S-G极波形

N[011]:V4驱动脉冲波形，N[009]：MOS-M9的D-S波形

虽然图腾柱解决了电压跳变以及上电时驱动的起始电压问题，但是电压钳位仍然需要考虑，图中的R10，R11不仅仅起到电压钳位的作用，还起到调节三极管Q3，Q4中的电流作用。这个仿真电路是用于低电压输入的情况的，如果在高电压情况下，图腾柱的耐压问题就成了问题。

可见驱动一个PMOS比ＮＭＯＳ麻烦的多，在高压应用的场合下，电平移位成为棘手问题，即使在低电压场合，图腾柱虽然可以解决一系列问题，但是一个零件都不能省去，并且零件选取还得特别谨慎。

总之搞搞前级，搞搞后级。就可以了。。。断掉前级，测试MOS输入电平。是低就上拉，高就下拉。总之跟他对着干。然后把前级加上去。试试看。调栅极的电阻啊或许可以的。