在上一篇文章 動(dòng)力電池系統(tǒng)介紹（八)，簡(jiǎn)單的提了一下繼電器的驅(qū)動(dòng)電路，所以接下來就展開說一說驅(qū)動(dòng)電路。
一、梗概
在電源或者硬件設(shè)計(jì)中，無論是三極管還是MOS管，一般都需要驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路的主要作用有：
-
提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力
打個(gè)比方，一個(gè)單片機(jī)的高電平信號(hào)為5V，而5V是沒辦法直接驅(qū)動(dòng)12V或者24V的繼電器正常工作的。通常這時(shí)候就需要引入驅(qū)動(dòng)電路，使5V也能夠控制末端繼電器的開斷。 -
保證開關(guān)管良好的開關(guān)狀態(tài)
在一個(gè)電路中，開關(guān)管不能太快或者太慢，太快會(huì)對(duì)電磁造成很大的干擾，太慢開關(guān)損耗太大。 -
保證器件的可靠性，避免過壓和過流
由于開關(guān)寄生參數(shù)的存在，在導(dǎo)通或者關(guān)斷是，往往產(chǎn)生很大的電壓電流尖峰，這會(huì)對(duì)電路的性能和器件的可靠性有影響。
二、驅(qū)動(dòng)方式
以控制信號(hào)類別分類，驅(qū)動(dòng)方式可以分為電流驅(qū)動(dòng)和電壓驅(qū)動(dòng)。
2.1 電流驅(qū)動(dòng)
電流驅(qū)動(dòng)實(shí)際上是通過控制三極管導(dǎo)通來控制信號(hào)的通斷。
2.1.1 三極管的導(dǎo)通特性
學(xué)過《模電》的應(yīng)該都知道，只要三極管的基極與發(fā)射級(jí)的壓差大于導(dǎo)通電壓即可控制三極管的導(dǎo)通。
| 材料/種類 | 導(dǎo)通電壓 |
|---|---|
| 硅管NPN | 基極大于發(fā)射級(jí)0.7V（實(shí)際上0.5V左右就導(dǎo)通了） |
| 硅管PNP | 發(fā)射級(jí)大于基極0.7V |
| 鍺管NPN | 基極大于發(fā)射級(jí)0.3V |
| 鍺管PNP | 發(fā)射級(jí)大于基極0.3V |
2.1.2 三極管的驅(qū)動(dòng)電路
三極管驅(qū)動(dòng)繼電器電路（圖片來源網(wǎng)絡(luò)）：
在NPN晶體管電路中，R1起限流作用、R2起下拉作用。因?yàn)樵陔娐逢P(guān)斷之后，三極管be端電壓緩慢下降，可能會(huì)處于較長(zhǎng)時(shí)間的放大狀態(tài)，會(huì)損壞三極管。因此需要下拉電阻R2，使得關(guān)斷時(shí)積極電壓迅速拉低，提高三極管的關(guān)斷速度。
當(dāng)輸出為0V時(shí)，三極管截止，繼電器線圈無電流流過，為OFF狀態(tài)；
當(dāng)輸出為+Vcc時(shí)，三極管飽和，繼電器線圈流過一定的電流，繼電器吸合，為ON狀態(tài)；
當(dāng)輸入電壓又+Vcc變?yōu)?時(shí)，，三極管由飽和變?yōu)榻刂?。由于繼電器線圈相當(dāng)于一個(gè)電感，由于電感的特性是通直流、阻交流，在斷開瞬間，線圈兩端會(huì)產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢(shì)，電壓值可達(dá)一百多伏，這個(gè)電壓加上電源電壓作用在三極管的集電極上足以損壞三極管。所以需要并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，為自感電勢(shì)提供泄放通路。（續(xù)流需要選擇肖特基二極管，有利于快速泄放電勢(shì)）
2.2 電壓驅(qū)動(dòng)
電壓驅(qū)動(dòng)實(shí)際上是通過控制MOS管導(dǎo)通來控制信號(hào)的通斷。
MOS管也叫場(chǎng)效應(yīng)管，英文全稱MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)）。
MOSFET管是FET的一種（另一種是JFET），可以被制造成增強(qiáng)型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
2.2.1 MOS管的導(dǎo)通特性
- 圖1是N管常用的電路接法。N管S端接地，D端接負(fù)載。當(dāng)G端信號(hào)大于Vgnd+Vgs的時(shí)候，MOS管開啟，當(dāng)信號(hào)電壓小于Vgnd+Vgs時(shí)關(guān)閉。R1電阻為下拉電阻。
- 圖2是P管常用的電路接法。P管S端接Vcc，D端接負(fù)載。則當(dāng)G端信號(hào)電壓小于Vcc-Vgs的時(shí)候，MOS開啟
，當(dāng)信號(hào)電壓大于Vcc-Vgs時(shí)關(guān)閉。（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
| 名稱 | 導(dǎo)通特性 |
|---|---|
| NMOS | Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低邊驅(qū)動(dòng)） |
| PMOS | Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高邊驅(qū)動(dòng)） |
對(duì)于這兩種增強(qiáng)型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導(dǎo)通電阻小，且容易制造。雖然PMOS可以很方便地用作高邊驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，在高邊驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS。
2.2.2 MOS管的導(dǎo)通電壓
| 場(chǎng)景 | 電壓 |
|---|---|
| 正常驅(qū)動(dòng) | 10-15，不要超過20V |
| 開啟 | 4-5V |
| 關(guān)斷的閾值電壓 | 最好有-5到-10V，或者保持低阻 |
在12V汽車電子系統(tǒng)里，一般柵極電壓達(dá)到4V就夠用了。
2.2.3 MOS管的驅(qū)動(dòng)電路
下面是一個(gè)高邊驅(qū)動(dòng)電路，R為線圈的等效電阻，L為線圈等效電感；當(dāng)NMOS導(dǎo)通后，線圈中的電流以指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，直至電流達(dá)到Vbat/R。
而當(dāng)NMOS從導(dǎo)通狀態(tài)斷開，在斷開瞬間，因?yàn)殡姼械碾娏鞑荒芡蛔儯鶕?jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，以抵抗電流的減小，它會(huì)疊加在MOS管的DS兩端，如果超出其最大可承受電壓，就會(huì)損壞MOS管。所以我們需要在輸出端增加鉗位電路（如下圖中的TVS管），保護(hù)MOS管。
同理，低邊驅(qū)動(dòng)電路情況與此類似。
2.2.4 MOS管的鉗位保護(hù)電路
在開關(guān)導(dǎo)通或關(guān)斷瞬間，無論高邊還是低邊，都會(huì)有一個(gè)很大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，會(huì)在MOS的DS兩端疊加成浪涌電壓，所以就需要一個(gè)鉗位保護(hù)電路，限制DS兩端電壓超過其最大可承受值。
鉗位保護(hù)電路有以下三種，用二極管和TVS管來實(shí)現(xiàn)對(duì)MOS管的保護(hù)（R為線圈的等效電阻）。
圖a中，用一個(gè)二極管并聯(lián)在電感兩端，為感生電流提供一個(gè)泄放的通路（經(jīng)常被叫做續(xù)流二極管），通過二極管的導(dǎo)通壓降把MOS管兩端的電壓鉗位??；它的缺點(diǎn)是放電的速度慢，因?yàn)槎O管的導(dǎo)通壓降很小。這個(gè)用法大家應(yīng)該比較熟悉，開關(guān)電源里面經(jīng)常看到。
圖b中，用一個(gè)TVS管并聯(lián)到MOS的DS兩端，限制其兩端電壓，而且可以很快放電，但缺點(diǎn)是TVS管要承受來自于電源的浪涌電壓，如7637中的幾個(gè)波形。
圖c中，用一個(gè)二極管和TVS管串聯(lián)后，再并聯(lián)到電感的兩端，二極管用來防止驅(qū)動(dòng)電路正常工作時(shí)從此導(dǎo)通，TVS用來鉗位，也可以很快放電，所以這種保護(hù)電路應(yīng)用比較廣泛。
注：2.2.3與2.2.4內(nèi)容摘自微信公眾號(hào)“新能源BMS”。
以開關(guān)位置分類，驅(qū)動(dòng)方式可以分為低邊驅(qū)動(dòng)（LSD）和高邊驅(qū)動(dòng)（HSD）。
2.3 高低邊驅(qū)動(dòng)
| 低邊驅(qū)動(dòng) | 高邊驅(qū)動(dòng) |
|---|---|
| 負(fù)載通過開關(guān)接地的驅(qū)動(dòng)方式 | 負(fù)載通過開關(guān)接電源的驅(qū)動(dòng)方式 |
| 電路比較簡(jiǎn)單（一般由MOS管加幾個(gè)電阻、電容） | 電路比較復(fù)雜（一般需要增加升壓電路） |
高邊驅(qū)動(dòng)比低邊驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，一個(gè)原因是它經(jīng)常使用NMOS作為功率元件，但NMOS需要通過將柵極電壓升高到漏極電壓以上而導(dǎo)通，因此需要增加升壓電路將柵極電壓提升到足夠的水平，增加了驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜度。
升壓電路中，通常用一個(gè)電容和一個(gè)二極管。電容儲(chǔ)存電壓，二極管防止電流倒灌。自舉電路的電壓就電容放電和電源電壓疊加，從而使電壓升高。
升壓電路設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中比較復(fù)雜，因?yàn)閷?duì)這方面了解還不是很深，所以就不展開講了。
2.3.1 驅(qū)動(dòng)方式選擇
選擇高邊驅(qū)動(dòng)還是低邊驅(qū)動(dòng)需要根據(jù)它們對(duì)故障情況的響應(yīng)來決定。文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-620814.html
| 短地 | 短電源 |
|---|---|
| 低邊驅(qū)動(dòng)負(fù)載一直工作、高邊驅(qū)動(dòng)負(fù)載停止工作 | 高邊驅(qū)動(dòng)負(fù)載一直工作、低邊驅(qū)動(dòng)負(fù)載停止工作 |
在汽車中，由于接地的金屬板無處不在，因此短地故障比短電源故障更容易發(fā)生。選擇哪種類型的驅(qū)動(dòng)方式，需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況。
一般來說，低邊驅(qū)動(dòng)方式通常用于與動(dòng)力總成相關(guān)的負(fù)載，例如電機(jī)、加熱器；因?yàn)榧词苟痰亓艘材芾^續(xù)控制車輛的動(dòng)力總成。
高邊驅(qū)動(dòng)方式經(jīng)常用于燃油泵和車身相關(guān)功能，如座椅、照明、雨刷和風(fēng)扇燈；當(dāng)發(fā)生短地故障時(shí)將關(guān)掉這些負(fù)載。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-620814.html
到了這里，關(guān)于動(dòng)力電池系統(tǒng)介紹（九）——驅(qū)動(dòng)電路的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
