開關(guān)MOS管的工作原理

一、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(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.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。開關(guān)MOS管工作原理

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。

（1）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。

（2）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 (a)和(b)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。

MOS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?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.可見，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。

二、MOS管導(dǎo)通特性

導(dǎo)通的意思是作為開關(guān)MOS管，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.

三、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。開關(guān)MOS管。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。縮短開關(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。

四、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(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。開關(guān)MOS管。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。現(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。
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