1,MOS管種類和結(jié)構(gòu)
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。
至于為什么不使用耗盡型的MOS管,,不建議刨根問底,。
對于這兩種增強(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,。所以開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動的應(yīng)用中,一般都用NMOS,。下面的介紹中,,也多以NMOS為主。
MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在,,這不是我們需要的,,而是由于制造工藝限制產(chǎn)生的。寄生電容的存在使得在設(shè)計或選擇驅(qū)動電路的時候要麻煩一些,,但沒有辦法避免,,后邊再詳細(xì)介紹。
在MOS管原理圖上可以看到,,漏極和源極之間有一個寄生二極管,。這個叫體二極管,在驅(qū)動感性負(fù)載(如馬達(dá)),,這個二極管很重要,。順便說一句,體二極管只在單個的MOS管中存在,,在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒有的,。
2,MOS管導(dǎo)通特性
導(dǎo)通的意思是作為開關(guān),,相當(dāng)于開關(guān)閉合,。
NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會導(dǎo)通,,適合用于源極接地時的情況(低端驅(qū)動),,只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。
PMOS的特性,,Vgs小于一定的值就會導(dǎo)通,,適合用于源極接VCC時的情況(高端驅(qū)動)。但是,,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動,,但由于導(dǎo)通電阻大,價格貴,,替換種類少等原因,,在高端驅(qū)動中,通常還是使用NMOS,。
下圖是瑞薩2SK3418的Vgs電壓和Vds電壓的關(guān)系圖??梢钥闯鲂‰娏鲿r,,Vgs達(dá)到4V,,DS間壓降已經(jīng)很小,,可以認(rèn)為導(dǎo)通,。
增強(qiáng)型 N溝道 是G大于D 5V以上即高電平時導(dǎo)通
增強(qiáng)型 P溝道
耗盡型 N溝道 是G小于D 5V以上即低電平時導(dǎo)通
耗盡型 P溝道
3,,MOS開關(guān)管損失
不管是NMOS還是PMOS,導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在,,這樣電流就會在這個電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗,。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會減小導(dǎo)通損耗。現(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右,,幾毫歐的也有,。
MOS在導(dǎo)通和截止的時候,,一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程,,流過的電流有一個上升的過程,,在這段時間內(nèi),,MOS管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開關(guān)損失,。通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多,,而且開關(guān)頻率越快,損失也越大,。
導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大,,造成的損失也就很大??s短開關(guān)時間,可以減小每次導(dǎo)通時的損失,;降低開關(guān)頻率,可以減小單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù),。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失,。
下圖是MOS管導(dǎo)通時的波形,。可以看出,,導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大,,造成的損失也就很大。降低開關(guān)時間,,可以減小每次導(dǎo)通時的損失,;降低開關(guān)頻率,,可以減小單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失,。
4,,MOS管驅(qū)動
跟雙極性晶體管相比,,一般認(rèn)為使MOS管導(dǎo)通不需要電流,只要GS電壓高于一定的值,,就可以了,。這個很容易做到,,但是,,我們還需要速度。
在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到,,在GS,,GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅(qū)動,,實際上就是對電容的充放電,。對電容的充電需要一個電流,,因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路,所以瞬間電流會比較大,。選擇/設(shè)計MOS管驅(qū)動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小,。
第二注意的是,普遍用于高端驅(qū)動的NMOS,,導(dǎo)通時需要是柵極電壓大于源極電壓,。而高端驅(qū)動的MOS管導(dǎo)通時源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V,。如果在同一個系統(tǒng)里,,要得到比VCC大的電壓,,就要專門的升壓電路了,。很多馬達(dá)驅(qū)動器都集成了電荷泵,要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容,,以得到足夠的短路電流去驅(qū)動MOS管,。
上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓,設(shè)計時當(dāng)然需要有一定的余量,。而且電壓越高,,導(dǎo)通速度越快,,導(dǎo)通電阻也越小?,F(xiàn)在也有導(dǎo)通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里,,但在12V汽車電子系統(tǒng)里,,一般4V導(dǎo)通就夠用了,。
MOS管的驅(qū)動電路及其損失,可以參考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs,。講述得很詳細(xì),,所以不打算多寫了。
下圖是MOS管導(dǎo)通時的波形,??梢钥闯?,導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大,,造成的損失也就很大。降低開關(guān)時間,,可以減小每次導(dǎo)通時的損失,;降低開關(guān)頻率,,可以減小單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失,。
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。
5,,MOS管應(yīng)用電路
MOS管最顯著的特性是開關(guān)特性好,,所以被廣泛應(yīng)用在需要電子開關(guān)的電路中,常見的如開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動,,也有照明調(diào)光,。
現(xiàn)在的MOS驅(qū)動,有幾個特別的需求,,
1,,低壓應(yīng)用
當(dāng)使用5V電源,這時候如果使用傳統(tǒng)的圖騰柱結(jié)構(gòu),,由于三極管的be有0.7V左右的壓降,,導(dǎo)致實際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時候,,我們選用標(biāo)稱gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風(fēng)險,。
同樣的問題也發(fā)生在使用3V或者其他低壓電源的場合。
2,,寬電壓應(yīng)用
輸入電壓并不是一個固定值,,它會隨著時間或者其他因素而變動。這個變動導(dǎo)致PWM電路提供給MOS管的驅(qū)動電壓是不穩(wěn)定的,。
為了讓MOS管在高gate電壓下安全,,很多MOS管內(nèi)置了穩(wěn)壓管強(qiáng)行限制gate電壓的幅值。在這種情況下,,當(dāng)提供的驅(qū)動電壓超過穩(wěn)壓管的電壓,,就會引起較大的靜態(tài)功耗。
同時,,如果簡單的用電阻分壓的原理降低gate電壓,,就會出現(xiàn)輸入電壓比較高的時候,MOS管工作良好,,而輸入電壓降低的時候gate電壓不足,,引起導(dǎo)通不夠徹底,從而增加功耗,。
3,,雙電壓應(yīng)用
在一些控制電路中,邏輯部分使用典型的5V或者3.3V數(shù)字電壓,,而功率部分使用12V甚至更高的電壓,。兩個電壓采用共地方式連接。
這就提出一個要求,,需要使用一個電路,,讓低壓側(cè)能夠有效的控制高壓側(cè)的MOS管,,同時高壓側(cè)的MOS管也同樣會面對1和2中提到的問題。
在這三種情況下,,圖騰柱結(jié)構(gòu)無法滿足輸出要求,,而很多現(xiàn)成的MOS驅(qū)動IC,似乎也沒有包含gate電壓限制的結(jié)構(gòu),。
于是我設(shè)計了一個相對通用的電路來滿足這三種需求,。
電路圖如下:
用于NMOS的驅(qū)動電路
用于PMOS的驅(qū)動電
用于PMOS的驅(qū)動電路
這里我只針對NMOS驅(qū)動電路做一個簡單分析:
Vl和Vh分別是低端和高端的電源,兩個電壓可以是相同的,,但是Vl不應(yīng)該超過Vh,。
Q1和Q2組成了一個反置的圖騰柱,用來實現(xiàn)隔離,,同時確保兩只驅(qū)動管Q3和Q4不會同時導(dǎo)通,。
R2和R3提供了PWM電壓基準(zhǔn),通過改變這個基準(zhǔn),,可以讓電路工作在PWM信號波形比較陡直的位置,。
Q3和Q4用來提供驅(qū)動電流,由于導(dǎo)通的時候,,Q3和Q4相對Vh和GND最低都只有一個Vce的壓降,這個壓降通常只有0.3V左右,,大大低于0.7V的Vce,。
R5和R6是反饋電阻,用于對gate電壓進(jìn)行采樣,,采樣后的電壓通過Q5對Q1和Q2的基極產(chǎn)生一個強(qiáng)烈的負(fù)反饋,,從而把gate電壓限制在一個有限的數(shù)值。這個數(shù)值可以通過R5和R6來調(diào)節(jié),。
最后,,R1提供了對Q3和Q4的基極電流限制,R4提供了對MOS管的gate電流限制,,也就是Q3和Q4的Ice的限制,。必要的時候可以在R4上面并聯(lián)加速電容。
這個電路提供了如下的特性:
1,,用低端電壓和PWM驅(qū)動高端MOS管,。
2,用小幅度的PWM信號驅(qū)動高gate電壓需求的MOS管,。
3,,gate電壓的峰值限制
4,輸入和輸出的電流限制
5,,通過使用合適的電阻,,可以達(dá)到很低的功耗,。
6,PWM信號反相,。NMOS并不需要這個特性,,可以通過前置一個反相器來解決。
在設(shè)計便攜式設(shè)備和無線產(chǎn)品時,,提高產(chǎn)品性能,、延長電池工作時間是設(shè)計人員需要面對的兩個問題。DC-DC轉(zhuǎn)換器具有效率高,、輸出電流大,、靜態(tài)電流小等優(yōu)點,非常適用于為便攜式設(shè)備供電,。目前DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計技術(shù)發(fā)展主要趨勢有:(1)高頻化技術(shù):隨著開關(guān)頻率的提高,,開關(guān)變換器的體積也隨之減小,功率密度也得到大幅提升,,動態(tài)響應(yīng)得到改善,。小功率DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率將上升到兆赫級。(2)低輸出電壓技術(shù):隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷發(fā)展,,微處理器和便攜式電子設(shè)備的工作電壓越來越低,,這就要求未來的DC-DC變換器能夠提供低輸出電壓以適應(yīng)微處理器和便攜式電子設(shè)備的要求。
這些技術(shù)的發(fā)展對電源芯片電路的設(shè)計提出了更高的要求,。首先,,隨著開關(guān)頻率的不斷提高,對于開關(guān)元件的性能提出了很高的要求,,同時必須具有相應(yīng)的開關(guān)元件驅(qū)動電路以保證開關(guān)元件在高達(dá)兆赫級的開關(guān)頻率下正常工作,。其次,對于電池供電的便攜式電子設(shè)備來說,,電路的工作電壓低(以鋰電池為例,,工作電壓 2.5~3.6V),因此,,電源芯片的工作電壓較低,。
MOS管具有很低的導(dǎo)通電阻,消耗能量較低,,在目前流行的高效DC-DC芯片中多采用MOS管作為功率開關(guān),。但是由于MOS管的寄生電容大,一般情況下 NMOS開關(guān)管的柵極電容高達(dá)幾十皮法,。這對于設(shè)計高工作頻率DC-DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)管驅(qū)動電路的設(shè)計提出了更高的要求,。
在低電壓ULSI設(shè)計中有多種CMOS、BiCMOS采用自舉升壓結(jié)構(gòu)的邏輯電路和作為大容性負(fù)載的驅(qū)動電路,。這些電路能夠在低于1V電壓供電條件下正常工作,,并且能夠在負(fù)載電容1~2pF的條件下工作頻率能夠達(dá)到幾十兆甚至上百兆赫茲,。本文正是采用了自舉升壓電路,設(shè)計了一種具有大負(fù)載電容驅(qū)動能力的,,適合于低電壓,、高開關(guān)頻率升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動電路。電路基于Samsung AHP615 BiCMOS工藝設(shè)計并經(jīng)過Hspice仿真驗證,,在供電電壓1.5V ,,負(fù)載電容為60pF時,工作頻率能夠達(dá)到5MHz以上,。
補(bǔ)充:
MOS管的開關(guān)特性
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推薦
一,、靜態(tài)特性
MOS管作為開關(guān)元件,同樣是工作在截止或?qū)▋煞N狀態(tài),。由于MOS管是電壓控制元件,,所以主要由柵源電壓uGS決定其工作狀態(tài)。
圖為由NMOS增強(qiáng)型管構(gòu)成的開關(guān)電路,。
NMOS管構(gòu)成的開關(guān)電路及其等效電路
工作特性如下:
※ uGS<開啟電壓UT:MOS管工作在截止區(qū),,漏源電流iDS基本為0,輸出電壓uDS≈UDD,,MOS管處于"斷開"狀態(tài),,其等效電路如圖3.8(b)所示。
※ uGS>開啟電壓UT:MOS管工作在導(dǎo)通區(qū),,漏源電流iDS=UDD/(RD+rDS),。其中,rDS為MOS管導(dǎo)通時的漏源電阻,。輸出電壓UDS=UDD?rDS/(RD+rDS),如果rDS<<RD,則uDS≈0V,,MOS管處于"接通"狀態(tài),,其等效電路如圖3.8(c)所示。
二,、動態(tài)特性
MOS管在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時同樣存在過渡過程,,但其動態(tài)特性主要取決于與電路有關(guān)的雜散電容充、放電所需的時間,,而管子本身導(dǎo)通和截止時電荷積累和消散的時間是很小的,。圖給出了一個NMOS管組成的電路及其動態(tài)特性示意圖。
NMOS管動態(tài)特性示意圖
當(dāng)輸入電壓ui由高變低,,MOS管由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為截止?fàn)顟B(tài)時,,電源UDD通過RD向雜散電容CL充電,充電時間常數(shù)τ1=RDCL,。所以,,輸出電壓uo要通過一定延時才由低電平變?yōu)楦唠娖?;?dāng)輸入電壓ui由低變高,MOS管由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)時,,雜散電容CL上的電荷通過rDS進(jìn)行放電,,其放電時間常數(shù)τ2≈rDSCL??梢?,輸出電壓Uo也要經(jīng)過一定延時才能轉(zhuǎn)變成低電平。但因為rDS比RD小得多,,所以,,由截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換時間比由導(dǎo)通到截止的轉(zhuǎn)換時間要短。
由于MOS管導(dǎo)通時的漏源電阻rDS比晶體三極管的飽和電阻rCES要大得多,,漏極外接電阻RD也比晶體管集電極電阻RC大,,所以,MOS管的充,、放電時間較長,,使MOS管的開關(guān)速度比晶體三極管的開關(guān)速度低。不過,,在CMOS電路中,,由于充電電路和放電電路都是低阻電路,因此,,其充,、放電過程都比較快,從而使CMOS電路有較高的開關(guān)速度,。