什么是MOS管?它有什么作用?MOS管可以說(shuō)是工程師最熟悉的器件之一，不過(guò)MOS管我們天天見(jiàn)，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(zhuān)門(mén)寫(xiě)一篇文章為大家總結(jié)一下MOS的開(kāi)關(guān)原理和基礎(chǔ)知識(shí)。

    一般來(lái)說(shuō)，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(zhuān)門(mén)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(shuō)只要柵極電壓到到開(kāi)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(kāi)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(lái)說(shuō)，串的電阻越大，柵極達(dá)到導(dǎo)通電壓時(shí)間越長(zhǎng)，MOS 處于半導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)間也越長(zhǎng)，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(lái)了解一下

    MOS 管開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)

    No.1 MOS 管種類(lèi)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(lèi)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(kāi)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(méi)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(shuō)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(méi)有的。

    No.2 MOS 管導(dǎo)通特性

    導(dǎo)通的意思是作為開(kāi)關(guān)，相當(dāng)于開(kāi)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(lèi)少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用 NMOS。

    No.3 MOS 開(kāi)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(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)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(kāi)關(guān)損失。通常開(kāi)關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開(kāi)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。縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失;降低開(kāi)關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開(kāi)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(lèi)型：N 溝道和 P 溝道。在功率系統(tǒng)中，MOSFET 可被看成電氣開(kāi)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通。導(dǎo)通時(shí)，電流可經(jīng)開(kāi)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(chēng)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(kāi)關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過(guò)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(chēng)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(xiàn)電壓上時(shí)，該 MOSFET 就構(gòu)成了低壓側(cè)開(kāi)關(guān)。在低壓側(cè)開(kāi)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(xiàn)及負(fù)載接地時(shí)，就要用高壓側(cè)開(kāi)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(guò)器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過(guò)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(guò)程中會(huì)有電能損耗，這稱(chēng)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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，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(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)，有下面兩種應(yīng)用：

    1

    由 PMOS 來(lái)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(kāi)啟，這也是前文所描述的柵極高阻抗所帶來(lái)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(kāi)關(guān)管的功能不能達(dá)到，實(shí)際應(yīng)用要注意。

    2

    來(lái)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(méi)有接反，R110 與 R113 存在的意義在于 R110 控制柵極電流不至于過(guò)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(méi)有上拉時(shí)，即輸出為開(kāi)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(kāi)關(guān)特性

    靜態(tài)特性

    MOS 管作為開(kāi)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(kāi)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(kāi)”狀態(tài)，其等效電路如下圖所示。

    uGS>開(kāi)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(guò)渡過(guò)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(guò) 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(guò)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(guò) rDS 進(jìn)行放電，其放電時(shí)間常數(shù)τ2≈rDSCL。可見(jiàn)，輸出電壓 Uo 也要經(jīng)過(guò)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(zhǎng)，使 MOS 管的開(kāi)關(guān)速度比晶體三極管的開(kāi)關(guān)速度低。不過(guò)，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(guò)程都比較快，從而使 CMOS 電路有較高的開(kāi)關(guān)速度。以上就是MOS管的原理解析，希望能給大家?guī)椭?/p>