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開(kāi)關(guān)MOS管-開(kāi)關(guān)MOS管的工作原因及詳解分析-KIA MOS管

信息來(lái)源:本站 日期:2020-09-22 

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開(kāi)關(guān)MOS管的工作原理


一、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。

至于為什么不使用耗盡型的MOS管,不建議刨根問(wèn)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(kāi)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(méi)有辦法避免,后邊再詳細(xì)介紹。開(kāi)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(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。


(1)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。


(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(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 (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。

開(kāi)關(guān)MOS管

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(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?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)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(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。


二、MOS管導(dǎo)通特性

導(dǎo)通的意思是作為開(kāi)關(guān)MOS管,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.


三、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?,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。開(kāi)關(guān)MOS管。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??s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。

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(kāi)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(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。


上邊說(shuō)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(chē)電子系統(tǒng)里,一般4V導(dǎo)通就夠用了。



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