什么是MOS管?它有什么作用?MOS管可以說是工程師最熟悉的器件之一,，不過MOS管我們天天見,，但是不乏一些剛?cè)胄械墓こ處?、甚至是少?shù)行業(yè)老手對(duì)于MOS的基礎(chǔ)理論的掌握不是很牢固,，所以專門寫一篇文章為大家總結(jié)一下MOS的開關(guān)原理和基礎(chǔ)知識(shí),。

    一般來說,，普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的 MOS,，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,。

    MOS 管是電壓驅(qū)動(dòng),，按理說只要柵極電壓到到開啟電壓就能導(dǎo)通 DS,，柵極串多大電阻均能導(dǎo)通。但如果要求開關(guān)頻率較高時(shí),，柵對(duì)地或 VCC 可以看做是一個(gè)電容,，對(duì)于一個(gè)電容來說，串的電阻越大,，柵極達(dá)到導(dǎo)通電壓時(shí)間越長,，MOS 處于半導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)間也越長，在半導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)阻較大,，發(fā)熱也會(huì)增大,，極易損壞 MOS，所以高頻時(shí)柵極柵極串的電阻不但要小,，一般要加前置驅(qū)動(dòng)電路的,。

    下面我們先來了解一下

    MOS 管開關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)

    No.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,。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,，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,。

    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 管的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,。

    No.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,。

    No.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?，F(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。

    No.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 和 GD 之間存在寄生電容,，而 MOS 管的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電,。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流,，因?yàn)閷?duì)電容充電瞬間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,。

    而在進(jìn)行 MOSFET 的選擇時(shí)，因?yàn)?MOSFET 有兩大類型：N 溝道和 P 溝道,。在功率系統(tǒng)中,，MOSFET 可被看成電氣開關(guān)。當(dāng)在 N 溝道 MOSFET 的柵極和源極間加上正電壓時(shí),，其開關(guān)導(dǎo)通,。導(dǎo)通時(shí)，電流可經(jīng)開關(guān)從漏極流向源極,。漏極和源極之間存在一個(gè)內(nèi)阻,，稱為導(dǎo)通電阻 RDS(ON)。

    必須清楚 MOSFET 的柵極是個(gè)高阻抗端,，因此,，總是要在柵極加上一個(gè)電壓，這就是后面介紹電路圖中柵極所接電阻至地,。如果柵極為懸空,，器件將不能按設(shè)計(jì)意圖工作，并可能在不恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻導(dǎo)通或關(guān)閉,，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗,。當(dāng)源極和柵極間的電壓為零時(shí)，開關(guān)關(guān)閉,，而電流停止通過器件,。雖然這時(shí)器件已經(jīng)關(guān)閉，但仍然有微小電流存在,，這稱之為漏電流,，即 IDSS。

    第一步：選用 N 溝道還是 P 溝道

    為設(shè)計(jì)選擇正確器件的第一步是決定采用 N 溝道還是 P 溝道 MOSFET。在典型的功率應(yīng)用中,，當(dāng)一個(gè) MOSFET 接地,，而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí)，該 MOSFET 就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān),。在低壓側(cè)開關(guān)中,，應(yīng)采用 N 溝道 MOSFET，這是出于對(duì)關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤],。

    當(dāng) MOSFET 連接到總線及負(fù)載接地時(shí),，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會(huì)在這個(gè)拓?fù)渲胁捎?P 溝道 MOSFET,，這也是出于對(duì)電壓驅(qū)動(dòng)的考慮,。

    第二步：確定額定電流

    第二步是選擇 MOSFET 的額定電流，視電路結(jié)構(gòu)而定,，該額定電流應(yīng)是負(fù)載在所有情況下能夠承受的最大電流,。與電壓的情況相似，設(shè)計(jì)人員必須確保所選的 MOSFET 能承受這個(gè)額定電流,，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時(shí),。兩個(gè)考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。

    在連續(xù)導(dǎo)通模式下,，MOSFET 處于穩(wěn)態(tài),，此時(shí)電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件,，一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個(gè)最大電流的器件便可,。

    選好額定電流后,，還必須計(jì)算導(dǎo)通損耗。在實(shí)際情況下,，MOSFET 并不是理想的器件,，因?yàn)樵趯?dǎo)電過程中會(huì)有電能損耗，這稱之為導(dǎo)通損耗,。MOSFET 在“導(dǎo)通”時(shí)就像一個(gè)可變電阻,，由器件的 RDS(ON)所確定，并隨溫度而顯著變化,。

    器件的功率耗損可由 Iload2×RDS(ON)計(jì)算,，由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會(huì)隨之按比例變化,。對(duì) MOSFET 施加的電壓 VGS 越高,，RDS(ON)就會(huì)越小，反之 RDS(ON)就會(huì)越高。

    對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說,，這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權(quán)衡的地方,。對(duì)便攜式設(shè)計(jì)來說，采用較低的電壓比較容易(較為普遍),，而對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì),，可采用較高的電壓。注意 RDS(ON)電阻會(huì)隨著電流輕微上升,，關(guān)于 RDS(ON)電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到,。

    第三步：確定熱要求

    選擇 MOSFET 的下一步是計(jì)算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)計(jì)人員必須考慮兩種不同的情況,，即最壞情況和真實(shí)情況,。建議采用針對(duì)最壞情況的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果提供更大的安全余量,，能確保系統(tǒng)不會(huì)失效,。在 MOSFET 的資料表上還有一些需要注意的測(cè)量數(shù)據(jù)，比如封裝器件的半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻,，以及最大的結(jié)溫,。

    器件的結(jié)溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結(jié)溫=最大環(huán)境溫度+[熱阻×功率耗散])，根據(jù)這個(gè)方程可解出系統(tǒng)的最大功率耗散,，即按定義相等于 I2×RDS(ON),。由于設(shè)計(jì)人員已確定將要通過器件的最大電流，因此可以計(jì)算出不同溫度下的 RDS(ON),。值得注意的是,，在處理簡(jiǎn)單熱模型時(shí)，設(shè)計(jì)人員還必須考慮半導(dǎo)體結(jié) / 器件外殼及外殼 / 環(huán)境的熱容量,，即要求印刷電路板和封裝不會(huì)立即升溫,。

    通常，一個(gè) PMOS 管,，會(huì)有寄生的二極管存在,，該二極管的作用是防止源漏端反接，對(duì)于 PMOS 而言,，比起 NMOS 的優(yōu)勢(shì)在于它的開啟電壓可以為 0,而 DS 電壓之間電壓相差不大,，而 NMOS 的導(dǎo)通條件要求 VGS 要大于閾值，這將導(dǎo)致控制電壓必然大于所需的電壓,，會(huì)出現(xiàn)不必要的麻煩,。

    選用 PMOS 作為控制開關(guān)，有下面兩種應(yīng)用：

    1

    由 PMOS 來進(jìn)行電壓的選擇,，當(dāng) V8V 存在時(shí),，此時(shí)電壓全部由 V8V 提供，將 PMOS 關(guān)閉，VBAT 不提供電壓給 VSIN,，而當(dāng) V8V 為低時(shí),，VSIN 由 8V 供電。注意 R120 的接地,，該電阻能將柵極電壓穩(wěn)定地拉低,，確保 PMOS 的正常開啟，這也是前文所描述的柵極高阻抗所帶來的狀態(tài)隱患,。D9 和 D10 的作用在于防止電壓的倒灌,。D9 可以省略。這里要注意到實(shí)際上該電路的 DS 接反,，這樣由附生二極管導(dǎo)通導(dǎo)致了開關(guān)管的功能不能達(dá)到,，實(shí)際應(yīng)用要注意。

    2

    來看這個(gè)電路,，控制信號(hào) PGC 控制 V4.2 是否給 P_GPRS 供電,。此電路中，源漏兩端沒有接反,，R110 與 R113 存在的意義在于 R110 控制柵極電流不至于過大,，R113 控制柵極的常態(tài)，將 R113 上拉為高,，截至 PMOS,，同時(shí)也可以看作是對(duì)控制信號(hào)的上拉。當(dāng) MCU 內(nèi)部管腳并沒有上拉時(shí),，即輸出為開漏時(shí),，并不能驅(qū)動(dòng) PMOS 關(guān)閉，此時(shí),，就需要外部電壓給予的上拉,，所以電阻 R113 起到了兩個(gè)作用。R110 可以更小,，到 100 歐姆也可,。

    No.5 MOS 管的開關(guān)特性

    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),。

    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),，其等效電路如下圖所示。

    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),，其等效電路如上圖(c)所示,。

    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。下圖分別給出了一個(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)楦唠娖健?/p>

    當(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,?？梢姡敵鲭妷?Uo 也要經(jīng)過一定延時(shí)才能轉(zhuǎn)變成低電平,。但因?yàn)?rDS 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,。以上就是MOS管的原理解析,，希望能給大家?guī)椭?/p>