牛小玲，王军，毛会琼

（中国矿业大学 信控学院，江苏徐州，221116）

随着电池技术的进步，使用电池等直流电源供电的设备越来越多，如电钻、电扳手和角磨机等各种手持式的电动工具、割草机和打草机等园林工具、家庭用的吹风机以及理发店用的理发器等等，这些工具的出现和创新极大地丰富和方便了人民群众的生产和生活。在这些使用直流电源供电的设备中，为了确保安全，一般都会在电源的正极串接一个机械开关，一旦设备发生故障，就可以通过断开这个机械开关的方式来断开设备电源，确保设备能够停机以保证用户的安全。但是机械开关存在着价格高、体积大、寿命有限和能源浪费等缺点，尤为严重的是机械开关在接通和断开负载电流时会产生火花放电，产生严重的EMC 噪声，干扰其他电子设备的正常工作，在某些场合下是严禁使用的，如在煤矿井下巷道会存在可燃性瓦斯气体、在采煤工作面会存在大量可燃气体和粉尘等，这些气体和粉尘遇到火花都有发生爆炸的危险，这种场合使用机械开关就会非常不安全。因此，越来越多的工程师开始尝试用MOSFET 替换机械开关进行产品的开发，但是，采用MOSFET 遇到的最大问题就是栅极电压驱动不足。为此，本文设计了一个低成本升压驱动电路。

MOSFET 有2 种类型[1]：增强型MOSFET 和耗尽型MOSFET，增强型MOSFET 在其栅源电压UGS=0 时，漏极电流ID=0，故称其为常开器件，耗尽型MOSFET 在其栅源电压UGS=0 时导通，故称其为常闭器件。增强型MOSFET还分NMOSFET 和PMOSFET 两种，由于导通电阻很小的高压PMOSFET 非常少，有时候甚至根本就没有合适的PMOSFET 可供选择，而导通电阻很小的高压NMOSFET 可选型号非常多，而且价格相对PMOSFET 更是便宜很多，所以我们选择NMOSFET 来替代机械开关。

使用NMOSFET 作为主开关时有两种方案：一种是将NMOSFET 串接在正极的电源线中，我们称之为串接在电源的高压侧；
另一个是将NMOSFET 串接在负极的电源线中，我们称之为串接在电源的低压侧。

如果串接在低压侧，优点是NMOSFET 的驱动电路设计简单，缺点是在这种方式下，用电设备断开的是电源的负极，即使电源负极断开了，用电设备的其它部分仍然都是带电的，还是存在安全隐患，而且干扰也比较大，因此比较少用。所以我们选择将NMOSFET串接在高压侧来替换机械开关，这样一旦电源的正极被断开后，整个用电设备的所有部分全部掉电，没有触电的安全隐患，缺点就是串接在高压侧的NMOSFET 驱动电路比较复杂。

我们知道，NMOSFET 串接在电源正极的话，电源正极接到NMOSFET 的DRAIN 端，所以其DRAIN 端电压就是电源正极电压，也就是用电系统中的最高电压，假设这个电压是60V，当NMOSFET 导通后，其SOURCE 和DRAIN 端电压压差一般不会超过0.1V，若忽略这个压降的话，其SOURCE端的电压也是60V。而NMOSFET 导通的条件是：其GATE端电压要比SOURCE 端电压高，一般高15V 左右[2]，所以要维持NMOSFET 持续导通的话，其GATE 端电压要持续维持在75V 左右，然而用电系统中的最高电压只有60V，所以必须要想办法将GATE 端电压升高到75V 左右。要实现这个功能有两种方案：一种是购买市场上已有的升压驱动芯片；
另外一种就是自己设计一个升压驱动电路来提供这个75V 的电压，以保证这个NMOSFET 的持续导通。

目前市场上用于这个场合的此类升压驱动芯片种类非常少，而且价格非常高，我们搜索了很多资料，也就找到了一款TI 公司生产的LM5060[3]，典型应用电路如图1 所示，其市场售价在10 元人民币左右，而且其推荐最高使用电压也只有65V，性价比不高，实用性很差。因此我们自己设计了一款简易且成本低廉的高压侧NMOSFE 升压驱动电路，通过实际制作PCB 电路验证，其工作稳定可靠，性价比非常高。

图1 LM5060的典型应用电路

升压驱动电路由振荡器电路、自举升压电路和使能控制电路组成，实现电路如图2 所示。振荡器电路负责给自举升压电路提供占空比为50%、频率约30kHz 的方波信号；
自举升压电路输出75V 的电压；
使能控制电路控制NMOSFET电子主开关的通断。

图2 升压驱动电路

2.1 振荡器电路

本方案中振荡器电路选用由2 个三极管、2 个电容和4个电阻构成的双三极管多谐振荡器电路来为自举升压电路提供方波，该振荡器电路成本十分低廉，其具体工作原理网上有很多讲解[4]，并且也不是本设计的重点，这里就不多赘述。另外如果产品设计中使用了MCU，且MCU 有多余的PWM 通道的话，也可以直接省略掉这个振荡器电路，直接由MCU 的PWM 通道提供方波信号就可以了。

2.2 自举升压电路

当振荡器电路输出为低电平时，Q3A 截止，Q3B 截止；
Q7B 截止，Q7A 导通，此时15V电源经过D1、C1、R9、Q7A 到地给电容C1 充电，因为R9 和C1 组成的充电时间常数很小，所以C1 充满电用时非常短，若忽略二极管D1 正向导通压降和三极管Q7A 的饱和导通压降，当C1 电容充满电会达到15V；
同时15V 电源经过D1、R1、D2向C2 充电，若忽略二极管D1 和D2 的正向导通压降，在极短的时间内C2 将充满电达到15V。当振荡器输出高电平时，Q7B 导通，Q7A 截 止，Q3A 导 通，Q3B 导通，所以C1 下端电压为60V，由于电容两端电压不能突变，所以C1 上端电压为“60V + 15V”，此时D1 截止、D2 导通，电容C1 通过R1、D2 向C2 充电，将C1 中的电荷全部转移给C2，C2 的电压达到30V。之后的过程基本上都是一样，当振荡器电路输出低电平时，Q3B 截止，Q7A 导通，此时D1 导通向C1 充电，使C1 两端的电压达到15V，但因为此时C2 的电压高于C1的电压，所以D2 就截止了；
当振荡器电路输出高电平时，Q3B 导通，Q7A 截止，C1 电容的下极板电压跳变为60V，上极板电压跳变为75V，所以D1 截止，D2 导通，C1 的能量再次全部转移到C2 中，此时C2 的电压为45V……。随着振荡器电路交替输出低电平和高电平，C1 中的能量不断地被泵送到C2 中，使得C2 的电压不断升高，最终C2 上的电压最高可以达到75V，纯理论分析的话，只需要最多4个PWM 脉冲就可以将C2 的电压升高到75V，但是考虑到实际电路中的损耗，还需要再多几个PWM 脉冲之后才可以将C2 的电压升高到75V。需要注意的是，我们需要一个叠加在60V 电压上的15V 电压，最简单、成本最低的办法就是60V 通过一个限流电阻和一个15V 的稳压管来获得；
或者使用BUCK 降压电路从60V 获得一个15V 的电压；
另外系统中很可能本来就存在15V 的电压，这样的话，直接把现有的15V 电压拿来用就可以了。

2.3 输出使能控制电路

当ENABLE 输出高电平时，Q5 导通，Q1A 和Q1B 导通，前 级C2 的 电 压 经 过D3、R2 施 加 到NMOSFET 管Q2 的GATE 端，使得Q2 导通，此时Q2 的DRAIN 端和SOURCE端电压都是60V，由于GATE 端此时电压为75V，比60V 还要高出15V，所以Q2 可以一直维持导通。当ENBALE 为低电平时，电子主开关Q2 关断。

前面提到，如果设计的产品中用到了MCU，且MCU有多余的PWM 输出通道，那么就可以省略掉振荡器电路，此时还可以去掉中间的使能控制电路，通过直接控制PWM信号的方式来实现NMOSFET 的通断控制。当MCU 输出PWM 信号时，NMOSFET 导通，当MCU 停止输出PWM 信号时，NMOSFET 截止。图3 是这种情况下升压驱动电路的简化版本，可以看出简化后的升压驱动电路只用到几个二极管、三极管、电阻和电容，其成本非常低廉，而且选用的三极管耐压都是不低于150V 的，所以这个升压驱动电路用在最高电压120V 及以下的系统中都是没有问题的，适用范围非常广。

图3 升压驱动电路简化版

图4 是使用Proteus 仿真软件[5]对简化后的升压驱动电路进行仿真的结果，可以看出实际仿真结果与理论分析结果十分接近，理论上NMOSFET 的门极电压是75V，设计仿真结果为73.7V，证明该升压驱动电路的原理是正确的。

图4 升压驱动电路仿真图

图5 所示的PCB 是实际调试时用的板子，可以看到板子上有很多的2PIN 脚的跳线，这个是用来将各个电路断开或者连接用的，当需要单独调试某个模块时，这些跳线可以使调试变得更方便。实际调试结果与理论分析和仿真结果一致，证明该升压驱动电路是可以稳定可靠工作的，同时也表明完全可以将NMOSFET 用在高压侧替代机械开关。

图5 测试验证用的PCB

通过本文介绍的技术，使用我们设计的升压驱动电路， 完全可以使用NMOSFET 来替代传统的用在高压侧的机械开关，不但能大大延长开关的寿命，而且可以降低发热量，提高能源的利用率，并且由于NMOSFET 作为开关使用占用的PCB 空间更小，价格低廉，作为主开关使用时，其导通和关断时都没有电火花出现，因此还可以降低整个系统的成本和对周围空间的EMC 辐射，对其它设备的干扰也更小，这也拓宽了产品的使用场合。可以预见，这种NMOSFET 作为电路主开关的应用方式一定会越来越广泛，因此该技术有很高的应用价值和发展空间。

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