项目5
MOS管驱动电路系统设计
设计任务
设计一个简单的MOS管驱动电路，使其产生方波信号来驱动NPN型三极管，以控制MOS管导通或关断。
基本要求
利用NE555芯片构成多谐振荡器，触发NPN型三极管产生导通、关断与放大信号，从而控制MOS管导通与关断。通过LED检测MOS管是否导通或关断，并通过人眼观测LED的发光情况。
☺ 多谐振荡器产生0.5Hz左右的方波信号。
☺ NE555芯片使用5V供电电压，而NPN型三极管和MOS管使用12V供电电压。
☺ 方波信号要有一定的占空比。
总体思路
多谐振荡器产生具有一定占空比的方波信号给NPN型三极管，使其导通或关断，从而控制MOS管的导通或关断，并通过LED检测MOS管是否导通。
系统组成
整个MOS管驱动电路系统主要分为以下3个模块。
☺ 电源模块。
☺ 多谐振荡器模块：输出具有一定占空比和一定频率的方波信号。
☺ NPN型三极管控制MOS管模块：利用NPN型三极管的导通、关断与放大信号来控制MOS管导通或关断，并运用LED来检测MOS管是否导通。
MOS管驱动电路系统框图如图5-1所示。
图5-1 MOS管驱动电路系统框图
电路原理图（见图5-2）
图5-2 电路原理图
模块详解
1. 电源模块
由于要给整个系统供电，所以必须设计一个直流稳压电源。这里为了设计方便，直接通过一个两引脚排针，外接5V和12V电源对整个系统进行供电，并通过LED指示电源是否供电正常，如图5-3所示。
图5-3 电源模块
在图5-3中，J1外接12V电源和地，J2外接5V电源和地，B2是开关，D1是LED。当外接5V电源后，闭合开关B2，如果D1亮了，就说明外接5V电源供电正常。
2. 多谐振荡器模块
由于需要方波信号来控制NPN型三极管导通或关断，从而间接控制MOS管导通或关断，所以设计了一个由NE555芯片构成的多谐振荡器来产生方波信号。多谐振荡器模块如图5-4所示。
图5-4 多谐振荡器模块
NE555芯片成本低、性能可靠，只要外接几个电阻、电容，就可以构成多谐振荡器以产生方波信号。NE555芯片也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。NE555芯片的内部结构如图5-5所示。NE555芯片的引脚如图5-6所示。
图5-5 NE555芯片的内部结构
图5-6 NE555芯片的引脚
NE555芯片的功能主要由两个电压比较器来实现。两个电压比较器的输出电压控制RS触发器的状态。在NE555芯片的8引脚和1引脚之间加上电压，当NE555芯片的5引脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端电压为2VCC/3，电压比较器C2的反相输入端电压为VCC/3。若NE555芯片的2引脚电压小于VCC/3，则电压比较器C2输出低电平信号，可使RS触发器置1。如果NE555芯片的6引脚电压大于2VCC/3，同时NE555芯片的2引脚电压大于VCC/3，则电压比较器C1输出低电平信号，电压比较器C2输出高电平信号，可将RS触发器置0。
由图5-4可知，NE555芯片的2引脚与6引脚之间的电容C2起到充/放电的作用。在电容C2充电过程中，电容3引脚输出高电平信号，在电容C2放电过程中，NE555芯片的3引脚输出低电平信号，从而可以得到一个方波信号。这个方波信号的振荡周期为
T=T1+T2
式中，T1为电容充电时间；T2为电容放电时间。
电容充电时间为
T1=（R1+R3）C2ln2≈0.7（R1+R3）C2
电容放电时间为
T2=R3C2ln2≈0.7R3C2
从而方波信号的振荡周期为
T=T1+T2=（R1+2R3）C2ln2≈0.7（R1+2R3）C2
方波信号的振荡频率为
方波信号的占空比为
因此，改变R1、R3和C2就可以改变方波信号的振荡频率。由于这里使用的是12V的MOS管，并用LED检测MOS管是否导通，所以要利用NE555芯片设计一个能产生0.5Hz左右的方波信号的多谐振荡器。由于R1与R3的和一般要小于3.3MΩ，所以初步设定R1为1MΩ、R3为1MΩ、C2为1μF，从而得出占空比q为2/3。对多谐振荡器模块进行仿真，其仿真结果如图5-7所示。从仿真结果来看，多谐振荡器模块能产生0.5Hz、占空比为2/3的方波信号。
图5-7 多谐振荡器模块仿真结果
3. NPN型三极管控制MOS管模块
如图5-8所示，这里所使用的是N沟道增强型MOS管IRFP250。
图5-8 NPN型三极管控制MOS管模块
在图5-8中，由导通条件可知，当MOS管（Q1）的栅极电压为4~10V时，MOS管就能导通；当MOS管的栅极电压小于4V时，MOS管就无法导通。Q2为NPN型三极管，其供电电压都为12V。
当Q2的基极为高电平时，Q2导通，则MOS管的栅极电压被拉低，MOS管无法导通，LED不亮，如图5-9（a）所示；当Q2的基极为低电平时，Q2关断，则MOS管的栅极电压被拉高，MOS管的栅极与漏极之间的电压差大于4V，MOS管导通，LED发光，如图5-9（b）所示。这里就是利用NPN型三极管来控制MOS管导通或关断，并通过LED的发光情况来检测MOS管是否导通。NPN型三极管控制MOS管模块仿真结果如图5-10所示。
图5-9 NPN型三极管控制MOS管模块仿真
图5-10 NPN型三极管控制MOS管模块仿真结果
调试与仿真
对所设计的MOS管驱动电路系统进行仿真，如图5-11所示。MOS管驱动电路系统仿真结果如图5-12所示。从仿真结果来看，该系统满足设计要求。
图5-11 MOS管驱动电路系统仿真
图5-12 MOS管驱动电路系统仿真结果
电路板布线图（见图5-13）
图5-13 电路板布线图
实物照片（见图5-14）
图5-14 实物照片
思考与练习
（1）漏极接地的MOS管导通条件是什么？
答：由MOS管导通条件可知，当MOS管的栅极电压为正，一般为4~10V时，MOS管就能导通；当MOS管的栅极电压小于4V时，就无法导通。
（2）要让多谐振荡器模块产生3Hz左右的方波信号，R1和R3的电阻值应为多大？
答：根据
，设
=0.1μF，则
≈1MΩ，
≈2MΩ。
（3）NPN型三极管导通条件是什么？
答：当NPN型三极管基极加上正向电压、发射极接地时，NPN型三极管即可导通。
特别提醒
（1）当完成MOS管驱动电路系统各模块设计后，必须对各模块进行适当连接，并考虑元器件之间的相互影响。
（2）在焊接元器件之前，要先检查PCB有无短路。