CPU 供电的MOSFET 自举驱动电路设计

CPU供电的MOSFET自举驱动电路设计

作者：郭奉凯，郑金吾

中国石油大学信息与控制工程学院

摘要：通过对商用计算机CPU供电电路功率管耐压30V MOSFET的寄生参数的研究和试验，设计了一个250KHz开关频率下的自举推挽驱动电路和门极快速放电回路，推挽电路阻抗小，类恒流源性质，驱动能力强，减少了门极驱动损耗，增强了MOSFET抗干扰能力。

关键词：场效应管；驱动电路；推挽；自举 中图分类号：TP216+.1 文献标识码：B

Design of MOSFET driver with bootstrap function

GUO Feng-kai, ZHENG Jin-wu

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum,

Dongying 257061, China)

Abstract: The main purpose of this paper is designing a power MOSFET switching driver at the frequency at 250KHz in mother board circuit. A push-pull and a gate fast turn-off circuits are introduced and used to limit the MOSFET switching and driving loss. Also a boot circuit is designed to meet the high side MOSFET driving voltage requirement.

Keywords: MOSFET; Driver; Push-pull；Boot 为研究MOSFET的导通过程，需要建立0 引言 MOSFET电路模型。本文研究开关管的驱动

MOSFET是计算机主板CPU开关电路中和损耗所需要的模型体现了低导通值重要的功率元件，与BJT相比它的损耗相MOSFET重要的寄生参数：G,D,S间的电容，对较小，开关速度快适合于中高频开关电CGS,CGD,CDS，用于分析驱动过程；DS路。由于MOSFET独特的容性物理结构，在间的寄生三极管，分析漏极扰动对MOSFET驱动时面临很多困难。不同的MOSFET和驱的影响：一是内部三极管导通而雪崩，二动器组合给设计工作带来千变万化的难是CGD耦合引起门极电位上升，使MOSFET题。同时由于处理器负载电流大，12V负误导通。模型中描述的体内寄生三极管中载点电压转化的BUCK结构采用同步整流包含一个MOSFET重要的寄生器件体二极方式，带来的问题是小的占空比和MOSFET管。体二极管是MOSFET制成工艺中产生的的 不可避免的副产品，它和普通的PN结型二大量使用使其损耗成为影响效率和散热的极管一样有难以克服的反向恢复时间tf。主要因素。除了尽量采用低导通阻值的开

在高速同步整流应用中，tf直接影响开关

关管外，设计良好的驱动电路和快速放电

管的性能和损耗。 回路是解决此问题的主要措施。

1 MOSFET开关过程 1.1寄生参数分布模型

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图1 MOSFET开关模型

1.2导通过程

PWM高电平信号经过功率放大转换，对门极充电。一路电流是为CGS充电，电流经过源极，负载回到地；另一路是为CGD充电。CGS上的电位逐渐上升，充满到达门极开启电压时，DS沟道间开始出现电流，第一阶段结束，如图2所示的1，2时间段。第二阶段主要对电容CGD充电，

VDS电压开始下降，门极电压不再上升，CGD表现为米勒电容，容量放大接近20倍，这阶段沟道电流和电压同时存在也是开关损耗的时期。图2所示的第3时间段。当门极电压建立起来后，VDS下降到

最小值，由于MOSFET的控制电子与沟道电流完全隔离，一旦MOSFET开启后，门极只流过纳安级的电流，驱动电流可以忽略。 图2 MOSFET导通波形图 下面分析开关频率为250KHz条件下，门极电压从0v上升到10v在tr时间内的所需的平均电流：如选用AOD436,N-MOSFET 13mOhm@ Vgs=4.5V ，设计要求驱动时间tr

为15ns .充满CGS所需电流I1为该时间电容电压变化的微分：

ICGS⋅dVCGS×10

1=dt=t 式1 r

完成对CGD电容的充电，漏极导通，DS间电压由供电电压VIN下降到导通压降。认为导通压降VDS足够小，这样CDS两端的压降

为VIN+VGS，

I=CGD⋅dVdt=CGS×(10+12)2t 式2

r

可以得到总的驱动电流， Ig=IGS+IGD

尽管门极输入电流可达5-8A，但持续时间只有15ns，这就要求驱动电路在开启MOSFET时有足够的电荷释放能力；同样关断MOSFET时，门极上的电荷要快速泄放，除了有放电回路外，驱动电路还有吸电流能力，保证MOSFET快速关断，减少开关损耗。

1.3关断过程 关断时，门极电容放电，电压下降至米勒平台时，VDS电压上升到输入电压。门

极电压降到开启电压时，沟道电流消失，关断结束。由于门极电荷需要在短时间内放空，驱动电路不仅要提供放电回路，还

有快速吸电流能力。门极的电容电荷累积极易造成静电损坏，快速放电回路也是保证开关管安全的重要措施。但是VDS快速

关断带来的负面影响是漏极di

dt

引起的电

压尖峰，正如前面分析的它可能带来门极的误导通和MOSFET内部寄生三极管导通而失效。

图3 MOSFET关断时，漏极的振荡波形

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2 驱动电路

驱动电路的目的是最短的时间内，改变MOSFET的阻抗，从最大值到最小值。实际的导通时间（10ns-60ns）至少是理论值的2，3数量级倍的时间延迟[1]。这也证明了MOSFET的寄生参数比抽象出来的模型复杂的多，即便在上面分析的模型中都考虑到了门极到漏极和源极的寄生电容，但实际上，这些电容值不固定，它们随驱动电压的改变而改变。驱动的目的是把这些电容充满，使门极电压达到导通值。

主板buck电路设计中，为降低续流二极管的导通损耗，用低导通阻值的场效应管代替二极管，上下两个开关管交错导通,即所谓同步整流模式。如下图：

在0—VIN间变化，驱动时需要自举电路实现门源间的电压差。

根据MOSFET 的开关特点，我们设计了带自举能力的MOSFET 推挽驱动电路。

图5 MOSFET驱动和门极放电回路设计

此电路用于上端开关管的驱动，由于上端MOSFET的源极接滤波器和下端开关管，无法接地而处于悬浮状态，需要同步的自举电路来抬升门极驱动电压，特别是执行导通动作时，源极逐渐上升的电位迫使其他共处一平面接入点的如Q2集电极电位上抬，使GS间的压差减少造成驱动失败。二极管D1和CBOOT组成自举电路：下端开光管导通时D1导通，CBOOT充电至输入电压；下端关断时，上端源极电位逐渐上升，D2关断，电容上端的电压也随之上升，这样实现了自举功能。

图4 同步整流结构中的上下端开关管

同步整流中，下端开关管源极接地驱动相对简单，上端源极（Phase端）电压

QGS MOS型号 导通电阻值耐压值 QGD

H-SIDE MOS AOD436 7.5mΩ 30V 6.3nC 8.2nC L-SIDE MOS AOD438 3.5mΩ 30V 9.7nC 6.7nC 测试条件

PWM IC Four-Phase Buck PWM Controller：ISL6312CRZ 输入电压 12V 输出电压 0.8-1.6V 驱动电压 10V 自举电压 22V 设计上升时间15nS 最大驱动电流10A

表1 上下端开关管寄生参数与测试条件

合放电。关断电流不会流回驱动，也不会引 起GND的波动，驱动损耗也减少。同时有二极管钳位，提高了开关速度。

3 试验测试

商用计算机的处理器供电电路中，变换器将母线12V电压转换为CPU所需的1V,我们

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选择耐压为30V的上下两个MOSFET（表1），采用ISL6312做PWM控制器,开关频率为250KHz。

为调节MOSFET的导通时间，我们改变RGATE值，如图5，测试漏极的电压下降时间。 1）RGATE=83.25Ω,漏极波形如图

图6 门极电阻大引起的驱动时间过长 由于门极串联电阻作用，漏极电压下降时间为tf=135nS，漏极波形振荡不大，但时间长，引起MOSFET很大的开关损耗。 2）RGATE=1.76Ω，漏极波形如图

图7 门极电阻小引起漏极电压振荡 门极串联电阻减少使驱动时间减少到10.4nS，但这个极佳的测试数据带来的是漏极波形的振荡，振荡的原因是门极寄生电感和电容形成的谐振。

3）RGATE=2.2Ω，门极电压如图

图8 上下端开关管门极驱动波形 两通道单次触发得到上下两端开关管门极的波形。绿线为上端驱动导通波形，由于自举电路作用，它的电压达到22V，上升时间为16ns,且无振荡；蓝色为下端开关管门极波形，关断结束后有轻微振荡，通过增加门极串联电阻值可以得到抑制，满足设计的要求。 4 结论

主板中高频下MOSFET的驱动好坏直接影响整个主板电路的损耗，热和EMI。设计良好的驱动要求有近似低阻的恒流源特性，电压上升快且不能过大，推挽能力强且放电回路短。通过对功率管导通关断过程分析，我们设计了适用于主板高速应用场合的驱动电路和放电回路，测试取得了满意的结果。

参考文献：

[1] Ron Lenk. Practical Design of PowerSupplies:WileyPublishing,Inc,2005 [2] Keith Billings. Switchmode Power SupplyHandbook:McGraw-Hill Companies,1999

[3] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社,2003

作者简介：郭奉凯（1983- ），山东利津人，中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院硕士研究生，主要研究方向为开关电源设计与仿真。E-mail：guofengkai@163.com