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(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,。

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(dòng)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(gè)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(jì)或選擇驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)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(gè)寄生二極管,。這個(gè)叫體二極管,，在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載（如馬達(dá)），這個(gè)二極管很重要,。順便說一句,，體二極管只在單個(gè)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(huì)導(dǎo)通,，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)），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(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）,。但是,，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大,，價(jià)格貴,，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)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(shí),，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(shí)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(shí)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(huì)在這個(gè)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(huì)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(shí)候，一定不是在瞬間完成的,。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過程,，流過的電流有一個(gè)上升的過程，在這段時(shí)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(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失,；降低開關(guān)頻率,，可以減小單位時(shí)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(shí)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(shí)間,，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失,；降低開關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)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(dòng)
　　 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(gè)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(dòng),，實(shí)際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個(gè)電流,，因?yàn)閷﹄娙莩潆娝查g可以把電容看成短路,，所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)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(dòng)的NMOS，導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓,。而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓（VCC）相同,，所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個(gè)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(dòng)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(dòng)MOS管,。
　　 上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓，設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)間,，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失；降低開關(guān)頻率,，可以減小單位時(shí)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(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,。
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(dòng),，也有照明調(diào)光。
　　現(xiàn)在的MOS驅(qū)動(dòng),，有幾個(gè)特別的需求,，
　　1,，低壓應(yīng)用
　　 當(dāng)使用5V電源，這時(shí)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(shí)際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時(shí)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(xiǎn),。
　　 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(gè)固定值,，它會(huì)隨著時(shí)間或者其他因素而變動(dòng)。這個(gè)變動(dòng)導(dǎo)致PWM電路提供給MOS管的驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓超過穩(wěn)壓管的電壓,，就會(huì)引起較大的靜態(tài)功耗。
　　 同時(shí),，如果簡單的用電阻分壓的原理降低gate電壓,，就會(huì)出現(xiàn)輸入電壓比較高的時(shí)候，MOS管工作良好,，而輸入電壓降低的時(shí)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(gè)電壓采用共地方式連接。
　　 這就提出一個(gè)要求,，需要使用一個(gè)電路,，讓低壓側(cè)能夠有效的控制高壓側(cè)的MOS管，同時(shí)高壓側(cè)的MOS管也同樣會(huì)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(dòng)IC,，似乎也沒有包含gate電壓限制的結(jié)構(gòu),。
　　 于是我設(shè)計(jì)了一個(gè)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(dòng)電路

       用于PMOS的驅(qū)動(dòng)電

       用于PMOS的驅(qū)動(dòng)電路
　　這里我只針對NMOS驅(qū)動(dòng)電路做一個(gè)簡單分析：
　　 Vl和Vh分別是低端和高端的電源，兩個(gè)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(gè)反置的圖騰柱，用來實(shí)現(xiàn)隔離,，同時(shí)確保兩只驅(qū)動(dòng)管Q3和Q4不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通,。
　　 R2和R3提供了PWM電壓基準(zhǔn)，通過改變這個(gè)基準(zhǔn),，可以讓電路工作在PWM信號(hào)波形比較陡直的位置,。
　　 Q3和Q4用來提供驅(qū)動(dòng)電流，由于導(dǎo)通的時(shí)候,，Q3和Q4相對Vh和GND最低都只有一個(gè)Vce的壓降,，這個(gè)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(gè)強(qiáng)烈的負(fù)反饋,，從而把gate電壓限制在一個(gè)有限的數(shù)值,。這個(gè)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(shí)候可以在R4上面并聯(lián)加速電容,。
　　 這個(gè)電路提供了如下的特性：
　　 1，用低端電壓和PWM驅(qū)動(dòng)高端MOS管,。
　　 2,，用小幅度的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(hào)反相,。NMOS并不需要這個(gè)特性，可以通過前置一個(gè)反相器來解決,。
　　 在設(shè)計(jì)便攜式設(shè)備和無線產(chǎn)品時(shí),，提高產(chǎn)品性能、延長電池工作時(shí)間是設(shè)計(jì)人員需要面對的兩個(gè)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(diǎn)，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(jì)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(dòng)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(jì)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(shí)必須具有相應(yīng)的開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)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(jì)高工作頻率DC－DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)提出了更高的要求,。
　　 在低電壓ULSI設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)了一種具有大負(fù)載電容驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路,。電路基于Samsung AHP615 BiCMOS工藝設(shè)計(jì)并經(jīng)過Hspice仿真驗(yàn)證,，在供電電壓1.5V ，負(fù)載電容為60pF時(shí)，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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　　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(shí)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(dòng)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(shí)同樣存在過渡過程,，但其動(dòng)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(shí)間，而管子本身導(dǎo)通和截止時(shí)電荷積累和消散的時(shí)間是很小的,。圖給出了一個(gè)NMOS管組成的電路及其動(dòng)態(tài)特性示意圖,。

NMOS管動(dòng)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(shí),，電源UDD通過RD向雜散電容CL充電,，充電時(shí)間常數(shù)τ1=RDCL。所以,，輸出電壓uo要通過一定延時(shí)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(shí),，雜散電容CL上的電荷通過rDS進(jìn)行放電,，其放電時(shí)間常數(shù)τ2≈rDSCL?？梢?，輸出電壓Uo也要經(jīng)過一定延時(shí)才能轉(zhuǎn)變成低電平,。但因?yàn)閞DS比RD小得多，所以,，由截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換時(shí)間比由導(dǎo)通到截止的轉(zhuǎn)換時(shí)間要短。
　　 由于MOS管導(dǎo)通時(shí)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(shí)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,。