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# 12~24V 2P2N双色LED H桥驱动原理与器件设计
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## 1. 文档目的
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本文针对一套输入电压为12~24V的双色LED H桥驱动电路。主功率桥由2只PMOS和2只NMOS组成,另外使用2只小信号NMOS驱动高边PMOS,因此整个驱动部分共使用6只MOS管。
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本文说明:
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- 2P2N主桥和2只驱动MOS分别承担什么工作;
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- 双色LED为什么需要H桥改变电流方向;
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- 两路PWM输入怎样控制暖光、冷光和关闭状态;
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- 为什么两路输入绝对不能同时为高电平;
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- 为什么换向必须先输出`00`并保留死区;
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- PMOS为什么需要栅极上拉电阻和下拉电阻;
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- 两个电阻为什么会形成分压;
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- 电阻太大或太小分别会产生什么问题;
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- 12V稳压管在电路中起什么作用;
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- 如何计算PMOS的栅源电压、电阻功耗和稳压管电流;
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- 如果取消稳压管,应当如何重新选择电阻;
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- 为什么还必须检查死区时间、MOS管尖峰和PCB布局。
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本文尽量使用直观的方式说明,适合刚接触MOS管驱动电路的工程人员阅读。
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## 2. 完整电路由哪些部分组成
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图1:本项目12~24V、2P2N主桥加2只小MOS驱动的完整原理图。
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图中的主要器件分工如下:
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| 器件 | 类型 | 作用 |
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|---|---|---|
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| Q1、Q2 | 高边PMOS(60P03) | 分别把C端、W端连接到12~24V电源 |
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| Q9、Q10 | 低边NMOS(60N03) | 分别把C端、W端连接到GND |
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| Q7、Q8 | 小信号NMOS(AO3400A) | 分别下拉Q1、Q2的栅极 |
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| R1、R2 | 2.4kΩ上拉电阻 | 使Q1、Q2快速关断 |
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| R3、R4 | 3kΩ下拉通路电阻 | 与R1、R2分压,限制高边PMOS的导通VGS |
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| D1、D2 | 12V稳压管(BZT52C12) | 限制高边PMOS的栅源电压尖峰 |
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| R14、R15 | 10kΩ栅源下拉电阻 | 确保Q9、Q10在控制信号悬空时保持关闭 |
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### 2.1 2只高边PMOS
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高边使用2只PMOS:
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- 左侧PMOS负责把输出端`C`连接到12~24V电源;
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- 右侧PMOS负责把输出端`W`连接到12~24V电源。
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PMOS适合放在高边,是因为它的源极可以直接接正电源,栅极只需要从源极电压向下拉,就能导通。
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### 2.2 2只低边NMOS
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低边使用2只NMOS:
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- 左侧NMOS负责把输出端`C`连接到GND;
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- 右侧NMOS负责把输出端`W`连接到GND。
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低边NMOS的源极接地,MCU输出高电平后比较容易直接驱动其栅极。
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### 2.3 2只PMOS驱动NMOS
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MCU通常只有3.3V输出,不能直接把接在12~24V电源上的PMOS栅极拉到合适电位,所以增加2只小信号NMOS:
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- 左侧驱动NMOS负责下拉左侧PMOS栅极;
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- 右侧驱动NMOS负责下拉右侧PMOS栅极。
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这2只小MOS不直接承受LED主电流,只负责PMOS栅极的充电和放电控制。
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### 2.4 负载是反向并联双色LED
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双色LED连接在`C`、`W`两个H桥输出端之间。两种颜色的LED芯片方向相反:
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- 电流从`C`流向`W`时,点亮一种颜色;
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- 电流从`W`流向`C`时,点亮另一种颜色;
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- 两个方向快速分时工作时,肉眼看到混合色或中性光。
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H桥的作用不是简单提供两路独立正电压,而是改变流过双色LED的电流方向。
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## 3. 两路输入如何控制H桥
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本文把两路控制信号称为:
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- `PWM_W`:驱动Q7和对角线上的Q10,形成`C→W`电流;
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- `PWM_C`:驱动Q8和对角线上的Q9,形成`W→C`电流。
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按照当前交叉驱动结构,一路信号会同时控制一只高边PMOS和对角线上的一只低边NMOS。
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> `PWM_C`、`PWM_W`是电路网络名称。最终点亮暖色还是冷色,还取决于双色LED的实际安装方向。
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### 3.1 PWM_W有效
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`PWM_W=1、PWM_C=0`时:
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- Q7导通并下拉Q1的栅极,使左侧高边PMOS Q1导通;
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- 对角线上的右侧低边NMOS Q10导通;
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- `C`端接近电源;
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- `W`端接近GND;
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- 电流方向为`电源 → C → LED → W → GND`。
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此时点亮一个颜色。
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### 3.2 PWM_C有效
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`PWM_C=1、PWM_W=0`时:
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- Q8导通并下拉Q2的栅极,使右侧高边PMOS Q2导通;
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- 对角线上的左侧低边NMOS Q9导通;
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- `W`端接近电源;
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- `C`端接近GND;
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- 电流方向为`电源 → W → LED → C → GND`。
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此时点亮另一个颜色。
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### 3.3 两路均为低电平
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`PWM_C=0、PWM_W=0`时:
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- 两只高边PMOS关闭;
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- 两只低边NMOS关闭;
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- H桥处于关闭状态;
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- LED没有持续驱动电流。
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换向时必须先进入这个状态。
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### 3.4 两路均为高电平
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`PWM_C=1、PWM_W=1`是禁止状态。
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此时两组对角桥臂同时收到导通命令,可能导致同一桥臂的上管和下管同时导通,形成:
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```text
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电源 → 上管 → 下管 → GND
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```
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这条路径几乎没有LED负载限流,会产生很大的直通电流,可能造成:
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- 电源异响;
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- MOS管快速发热;
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- 电源电压跌落;
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- MCU复位或蓝牙掉线;
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- MOS管损坏;
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- PCB走线或电源器件损坏。
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控制真值表如下:
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| PWM_C | PWM_W | H桥状态 | 结果 |
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|---:|---:|---|---|
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| 0 | 0 | 全部关闭 | 安全关闭/换向死区 |
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| 0 | 1 | C高、W低 | 电流从C流向W |
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| 1 | 0 | W高、C低 | 电流从W流向C |
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| 1 | 1 | 禁止状态 | 可能发生桥臂直通 |
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## 4. 为什么换向必须设置死区
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MOS管不是收到控制电平后立即完成导通或关断。栅极电容、米勒平台、驱动电阻和PCB寄生参数都会产生延迟。
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如果直接执行:
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```text
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PWM_C有效 → PWM_W有效
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可能出现:
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- 原方向的PMOS和NMOS还没有完全关闭;
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- 新方向的PMOS和NMOS已经开始导通;
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- 两个方向在很短时间内重叠;
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- H桥形成瞬间直通。
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正确换向顺序应为:
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```text
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方向C导通 → 输出00 → 等待死区 → 方向W导通
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方向W导通 → 输出00 → 等待死区 → 方向C导通
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```
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死区时间不能只根据软件定时值决定,必须结合实际MOS管栅极波形测量。对于本类低频LED PWM,可以先设置较保守的死区进行验证,再根据示波器结果缩短。
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需要注意:
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- 死区太短,可能发生直通;
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- 死区太长,会降低最大有效占空比和LED峰值亮度;
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- 调高PWM频率后,相同死区占整个周期的比例会变大;
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- PMOS上拉电阻变大后,通常需要重新确认死区是否足够。
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## 5. 先认识PMOS的三个引脚
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PMOS有三个主要引脚:
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- `S`:源极(Source),本电路接12V或24V电源;
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- `G`:栅极(Gate),用于控制PMOS导通和关断;
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- `D`:漏极(Drain),连接H桥输出端。
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PMOS是否导通,主要取决于栅源电压:
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```text
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VGS = VG - VS
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其中:
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- `VG`是栅极对地电压;
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- `VS`是源极对地电压。
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假设源极接24V:
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| 栅极电压VG | 栅源电压VGS | PMOS状态 |
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|---:|---:|---|
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| 24V | 0V | 关断 |
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| 20V | -4V | 开始较明显导通 |
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| 14V | -10V | 充分导通 |
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| 12V | -12V | 充分导通 |
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| 0V | -24V | 超过多数PMOS的栅源耐压,危险 |
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> 注意:数据手册中的`VGS(th)`是“刚开始有很小电流”的开启阈值,不代表MOS管已经充分导通。
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以SL60P03D为例:
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- `VGS(th)`约为-1.0V至-2.2V;
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- 导通电阻通常在`VGS=-4.5V`或`VGS=-10V`条件下标定;
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- 栅源极绝对最大耐压为`±20V`。
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所以“20V”不是开启阈值,而是不能超过的栅源极极限耐压。
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## 6. 上拉电阻和下拉电阻分别做什么
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为避免受到原理图位号差异影响,本文统一使用下面的名称:
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- `RUP`:PMOS栅极到源极(电源)的上拉电阻;
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- `RDOWN`:PMOS栅极到地的下拉电阻;
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- `DZ`:跨接在PMOS栅极和源极之间的稳压管;
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- `QDRV`:把PMOS栅极向地拉低的小信号MOS管。
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简化结构如下:
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电源12V/24V
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+--------- PMOS源极S
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RUP
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+--------- PMOS栅极G
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RDOWN
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QDRV
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GND
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DZ稳压管跨接在PMOS的S和G之间。
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```
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### 6.1 PMOS关断过程
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当`QDRV`关闭后,下拉路径断开,`RUP`把PMOS栅极充电到源极电压:
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```text
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VG ≈ VS
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VGS ≈ 0V
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```
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PMOS关断。
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因此,`RUP`越小,给栅极电容充电的电流越大,PMOS通常关断得越快。
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### 6.2 PMOS导通过程
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当`QDRV`导通后,`RUP`和`RDOWN`形成从电源到地的分压回路,栅极电压下降,PMOS得到负的`VGS`并导通。
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因此:
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- `RUP`太小:关断快,但栅极不容易被拉低,PMOS导通电压可能不足;
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- `RUP`太大:PMOS容易得到较大的负`VGS`,但栅极充电慢,关断时间增加;
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- `RDOWN`太小:PMOS导通更充分,但电流和电阻功耗增加;
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- `RDOWN`太大:功耗降低,但PMOS导通电压减小。
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两个电阻必须综合考虑,不能只追求其中一个方向。
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## 7. 没有稳压管时如何计算
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先忽略稳压管,假设`QDRV`已经完全导通。
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栅极电压为:
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VG = VCC × RDOWN / (RUP + RDOWN)
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PMOS栅源电压的绝对值为:
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```text
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|VGS| = VCC × RUP / (RUP + RDOWN)
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```
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回路电流为:
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```text
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I = VCC / (RUP + RDOWN)
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两个电阻的功耗分别为:
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```text
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PUP = I² × RUP
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PDOWN = I² × RDOWN
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```
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### 7.1 当前原理图:24V、上拉2.4kΩ、下拉3kΩ
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```text
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VCC = 24V
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RUP = 2.4kΩ
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RDOWN = 3kΩ
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```
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计算结果:
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```text
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VG = 24 × 3 / (2.4 + 3) ≈ 13.33V
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VGS = 13.33 - 24 ≈ -10.67V
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I = 24 / 5.4k ≈ 4.44mA
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PUP = I² × 2.4k ≈ 47mW
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PDOWN = I² × 3k ≈ 59mW
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所以栅极并不会被拉到0V,而是被两个电阻分压到约13.33V。
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PMOS得到约-10.67V的栅源电压,能够充分导通。这个数值没有达到12V稳压管的击穿电压,因此D1/D2在稳定导通状态下基本不工作,主要用于处理换向尖峰。
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### 7.2 当前原理图:12V、上拉2.4kΩ、下拉3kΩ
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同样的电阻在12V输入下:
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VG = 12 × 3 / (2.4 + 3) ≈ 6.67V
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VGS = 6.67 - 12 ≈ -5.33V
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I = 12 / 5.4k ≈ 2.22mA
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PUP ≈ 12mW
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PDOWN ≈ 15mW
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```
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此时PMOS仍然可以可靠导通,而且12V稳压管在正常稳定状态下不会反向击穿。
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## 8. 稳压管的真正作用
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12V稳压管跨接在PMOS的源极和栅极之间,主要作用是限制`|VGS|`。
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### 8.1 正常关断时
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PMOS栅极被`RUP`拉到源极电压:
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```text
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VGS ≈ 0V
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```
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稳压管不工作。
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### 8.2 正常导通时
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栅极被下拉,`|VGS|`逐渐增大。
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当`|VGS|`接近稳压管的击穿电压后,稳压管开始反向导通,把`|VGS|`限制在大约12V附近。
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24V输入、12V稳压管钳位时,理想状态约为:
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VS ≈ 24V
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VG ≈ 12V
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VGS ≈ -12V
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### 8.3 换向尖峰出现时
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H桥换向会受到以下因素影响:
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- MOS管栅极电容;
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- 米勒电容;
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- PCB走线电感;
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- LED和供电线路电感;
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- MOS管体二极管反向恢复;
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- 电源母线尖峰。
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这些因素可能让`VGS`在很短时间内超过正常分压值。稳压管可以吸收部分栅源尖峰,避免PMOS栅极氧化层承受过高电压。
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### 8.4 正向栅源尖峰
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如果换向时栅极瞬间高于源极,稳压管会像普通二极管一样正向导通,把正向`VGS`限制在约0.7V至1V附近。
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### 8.5 稳压管不能保护什么
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栅源稳压管只能保护PMOS的`VGS`,不能保护PMOS的漏源极`VDS`。
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例如:
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- 电源为24V;
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- PMOS的`VDS`额定值为-30V。
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这时漏源极只有约6V的理论尖峰余量。电源母线仍需考虑:
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- TVS管;
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- 就近低ESR电容;
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- 较短、较宽的功率走线;
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- 减小H桥电流环路面积;
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- 必要时使用耐压更高的MOS管。
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## 9. 为什么稳压管不是接上就一定能稳定在12V
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稳压管必须获得足够的反向电流,才能进入比较稳定的击穿区。
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为了说明稳压管为什么需要足够电流,下面使用“上拉1.2kΩ、下拉1kΩ”作为对比算例。这不是图1当前采用的2.4kΩ、3kΩ参数。
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假设:
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VCC = 24V
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VZ = 12V
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RUP = 1.2kΩ
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RDOWN = 1kΩ
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钳位后栅极约为12V。
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下拉电阻电流:
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```text
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IDOWN = 12V / 1kΩ = 12mA
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```
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上拉电阻电流:
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```text
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IUP = (24V - 12V) / 1.2kΩ = 10mA
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```
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稳压管电流约为:
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```text
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IZ = IDOWN - IUP = 12mA - 10mA = 2mA
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```
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因此,1.2kΩ上拉加1kΩ下拉时,稳压管大约只有2mA电流。
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这通常可以产生一定的钳位作用,但实际电压未必正好是12.00V。稳压管的标称电压、测试电流、动态电阻和温度特性需要查看具体厂家的数据手册。
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如果上拉和下拉都是1kΩ:
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```text
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IUP = 12mA
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IDOWN = 12mA
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IZ ≈ 0mA
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此时稳压管几乎没有剩余电流,不能指望它进入稳定的反向击穿状态。
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对于图1当前的2.4kΩ上拉和3kΩ下拉,在24V正常导通时,计算得到`|VGS|≈10.67V`,低于12V,因此稳压管不会持续击穿。这正是更合适的状态:正常工作由电阻分压确定栅极电压,稳压管只处理异常瞬态。
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## 10. 为什么电阻不能只考虑关断速度
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MOS管的栅极不是普通的纯电阻负载,可以把它理解为一个需要充电和放电的电容。
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SL60P03D的典型参数包括:
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- 输入电容`CISS`约为1988pF;
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- 总栅极电荷`Qg`约为35nC(特定测试条件下);
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- 米勒电荷`Qgd`约为8.8nC。
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PMOS关断时,`RUP`负责给栅极充电。可以先用RC时间常数粗略估算:
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```text
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τ ≈ RUP × CISS
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```
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例如:
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| RUP | 估算时间常数τ |
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|---:|---:|
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| 1.2kΩ | 约2.4μs |
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| 2.2kΩ | 约4.4μs |
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| 2.4kΩ | 约4.8μs |
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| 3.6kΩ | 约7.2μs |
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实际关断时间还受到栅极电荷、米勒平台、漏极电压变化和PCB寄生参数影响,不能只用一个RC公式定论。
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### 10.1 RUP太大
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可能产生:
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- PMOS关断变慢;
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- 换向时上管尚未完全关断,下管已经开启;
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- H桥上下管短暂直通;
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- 电源出现大电流尖峰;
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- MOS管异常发热;
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- 电路发出异响;
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- 严重时损坏MOS管或电源。
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### 10.2 RUP太小
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可能产生:
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- PMOS关断速度加快;
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- 但下拉时大量电流被RUP分走;
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- 栅极下拉不够,PMOS的负`VGS`不足;
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- PMOS没有充分导通,导通电阻增大;
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- 驱动回路静态功耗增加;
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- 电阻和驱动管温升增加。
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所以“上拉电阻越小越安全”并不成立。
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## 11. 电阻功耗不能只按照死区时间计算
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这是非常容易出现的误区。
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死区时间,例如25μs或50μs,表示换向时两边都关闭的保护时间。它不代表上拉、下拉电阻只通电25μs或50μs。
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当PMOS保持导通时:
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- `QDRV`持续导通;
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- `RUP`、`RDOWN`和稳压管可能持续有电流;
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- 电阻功耗会持续整个PMOS导通阶段。
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因此必须分别检查:
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1. 正常导通期间的连续或平均功耗;
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2. 换向尖峰期间的瞬时脉冲功耗。
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### 11.1 对比算例:24V钳位在12V、RUP=1.2kΩ、RDOWN=1kΩ
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钳位时:
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```text
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PUP = 12² / 1.2k ≈ 120mW
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PDOWN = 12² / 1k ≈ 144mW
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PZ = 12V × 2mA ≈ 24mW
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```
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普通0603电阻常见连续额定功率约为0.1W,但不同厂家、环境温度和PCB焊盘条件会有差异。
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因此:
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- 120mW和144mW不能简单地当成“只有50μs”;
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- 如果PMOS长时间保持导通,电阻可能接近连续承受该功耗;
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- 建议使用0805封装,或使用多个电阻分担功耗;
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- 最终必须查看所选电阻的数据手册和降额曲线。
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图1当前采用2.4kΩ上拉和3kΩ下拉,24V稳定工作时功耗分别约为47mW和59mW,不会出现上述持续钳位功耗;但0603电阻仍应考虑环境温度和功率降额。
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## 12. 取消稳压管时如何选择电阻
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如果决定不安装稳压管,就必须完全依靠电阻分压限制`VGS`。
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设计时应检查最坏情况:
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```text
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|VGS|max = VCC,max × RUP,max / (RUP,max + RDOWN,min)
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```
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必须同时考虑:
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- 电源最高电压;
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- 电源启动和负载突卸尖峰;
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- 电阻误差;
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- 温度;
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- 驱动管导通压降;
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- PCB寄生参数。
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### 12.1 同时兼容12V和24V的参考值
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可以考虑:
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```text
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RUP = 2.4kΩ
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RDOWN = 3kΩ
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```
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计算结果:
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| 输入电压 | 栅源电压VGS | 回路电流 |
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|---:|---:|---:|
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| 12V | 约-5.33V | 约2.22mA |
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| 24V | 约-10.67V | 约4.44mA |
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24V时电阻功耗:
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```text
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PUP ≈ 47mW
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PDOWN ≈ 59mW
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```
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这个组合具有以下特点:
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- 12V输入时仍能获得约-5.33V驱动;
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- 24V输入时约为-10.67V;
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- 正常功耗低于1.2kΩ加1kΩ方案;
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- 2.4kΩ上拉的关断速度仍然较快;
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- 不需要依靠稳压管在正常工作时持续击穿。
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即使使用这个分压,保留稳压管仍然有价值:它在正常工作时不导通,只在异常尖峰时保护PMOS。
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## 13. 两种方案对比
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### 方案A:电阻分压加稳压管
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优点:
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- 对栅源尖峰有额外保护;
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- 元件误差或异常状态下更安全;
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- 可以限制`VGS`不超过约12V。
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缺点:
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- 必须保证稳压管具有合适的工作电流;
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- 如果设计成稳压管持续击穿,会增加静态功耗;
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- 电阻功耗和稳压管功耗都需要核算。
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适合:
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- 24V供电;
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- H桥换向尖峰明显;
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- 对可靠性要求较高;
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- PCB空间允许增加保护器件。
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### 方案B:只使用电阻分压
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优点:
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- 元件少;
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- 不存在稳压管持续工作产生的额外功耗;
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- 参数计算直观。
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缺点:
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- 失去栅源尖峰钳位;
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- 对电源波动、电阻误差和PCB寄生参数更敏感;
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- 上拉电阻开路等故障可能让`VGS`超过额定值。
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适合:
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- 输入电压范围明确;
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- 电源尖峰受到良好控制;
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- 已经通过示波器确认`VGS`安全;
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- 有足够的设计余量。
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## 14. 本电路的建议
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### 14.1 如果保留12V稳压管
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建议:
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- 不要只根据“关断越快越好”无限减小上拉电阻;
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- 计算稳压管电流,确认能够形成有效钳位;
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- 按整个PMOS导通时间核算电阻平均功耗;
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- 对超过或接近0.1W的电阻优先使用0805;
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- 用示波器测量真实`VGS`,确认导通时约为-10V至-12V,关断时回到0V。
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### 14.2 如果取消稳压管
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12V至24V输入可以先测试:
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```text
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RUP = 2.4kΩ
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RDOWN = 3kΩ
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但必须满足:
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- 实测最大负`VGS`有足够余量;
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- 实测正向和反向尖峰没有接近`±20V`;
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- 电源母线已经做好TVS和就近电容;
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- PMOS能在下管开启前完全关断;
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- 保留足够的硬件或软件死区。
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### 14.3 关于死区
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死区的最终取值不能仅凭计算,应根据示波器实测决定。
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至少同时测量:
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- 上管PMOS的`VGS`;
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- 下管NMOS的`VGS`;
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- H桥输出节点;
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- 24V母线电压;
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- 条件允许时测量桥臂电流。
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判断标准是:
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> 下管开始导通之前,对应上管必须已经退出导通区,并且换向过程中没有异常母线电流尖峰。
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## 15. 初学者常见误区
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### 误区一:PMOS的20V是开启阈值
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错误。20V通常是栅源极最大耐压。真正的`VGS(th)`一般只有约1V至3V,但这个电压只能让MOS管刚刚开始导通。
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### 误区二:栅极下拉后一定是0V
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错误。如果存在上拉和下拉电阻,栅极由两个电阻分压,不会自然等于0V。
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### 误区三:装了12V稳压管,VGS就一定是-12V
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错误。稳压管必须获得足够的反向电流,实际钳位电压还受到电流、温度和器件误差影响。
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### 误区四:上拉电阻越小,电路越安全
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错误。上拉电阻减小会加快关断,但也会降低PMOS导通时的负`VGS`,并增加静态功耗。
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### 误区五:电阻的高功耗只持续死区时间
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错误。PMOS导通期间,分压回路可能持续有电流。必须按照实际占空比和最坏工作状态核算平均功耗。
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### 误区六:栅源稳压管可以保护整个MOS管
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错误。它主要保护`VGS`,不能代替24V母线TVS,也不能阻止`VDS`超过MOS管额定值。
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## 16. 最终检查清单
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原理图确定后,至少完成以下检查:
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- [ ] 确认PMOS的`VGS(th)`、推荐驱动电压和`VGS(max)`;
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- [ ] 计算12V和24V下的正常`VGS`;
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- [ ] 计算最高电源电压和电阻误差下的最坏`VGS`;
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- [ ] 计算上拉、下拉电阻连续功耗;
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- [ ] 计算稳压管正常电流和功耗;
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- [ ] 检查0603/0805电阻的额定功率和降额曲线;
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- [ ] 测量PMOS栅极对源极波形,而不是只测栅极对地;
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- [ ] 检查换向时是否有正向或反向`VGS`尖峰;
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- [ ] 检查上下管是否发生交叉导通;
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- [ ] 验证`PWM_C=1、PWM_W=1`在软硬件中都不会出现;
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- [ ] 验证每次方向切换都经过`00`关闭状态;
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- [ ] 检查24V母线是否超过PMOS的`VDS`额定值;
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- [ ] 高温、低温、最低输入和最高输入条件下重复测试。
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## 17. 总结
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PMOS栅极驱动电阻的选择,本质上是在以下四项之间寻找平衡:
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1. PMOS必须得到足够的负`VGS`,保证充分导通;
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2. PMOS必须快速回到`VGS≈0V`,保证及时关断;
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3. 分压回路的电流和电阻功耗不能过大;
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4. 栅源电压和换向尖峰不能超过MOS管额定值。
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稳压管的核心作用是保护PMOS栅源极,而不是替代电阻分压,也不是控制死区。合理的设计应先用电阻比例确定正常工作点,再用稳压管处理异常和瞬态过压,最后通过示波器实测确认。
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||||
对于这套12~24V、2P2N主桥加2只驱动MOS的双色LED电路,还必须始终遵守两个基本原则:
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1. `PWM_C`和`PWM_W`不能同时为高电平;
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||||
2. 两个电流方向切换时,必须先输出`00`,等待确认安全的死区后再开启另一方向。
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