MOSFET元器件及限流開(kāi)關(guān)有哪些妙用？-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2021-03-12
限流開(kāi)關(guān)，英文一般叫做Current limit switch。簡(jiǎn)要介紹一下，這款器件內(nèi)部就是集成了一個(gè)PMOS開(kāi)關(guān)管（當(dāng)然其主要電路不止一個(gè)MOS），MOS管也是集成電路當(dāng)中最基本元器件。先介紹一下這款器件的主要用途和其工作原理。
這款器件主要用于USB端口的過(guò)流和短路保護(hù)，能有效防止因外部短路造成的USB接口的燒壞情形，有統(tǒng)計(jì)表明，數(shù)碼產(chǎn)品失效有超過(guò)40%跟USB接口有關(guān)系，出現(xiàn)不良比較多的是USB接口死機(jī)，USB接口燒壞等等，究其原因，主要是過(guò)流損壞以及靜電損壞。
為什么要在USB接口處進(jìn)行過(guò)流保護(hù)呢？
如圖1所示，USB相關(guān)規(guī)范規(guī)定的USB主機(jī)的VBUS引腳為下游設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)5V電壓(允許5%的誤差，即4.75~5.25V)，
實(shí)際應(yīng)用中，外部設(shè)備的線纜在接口處反復(fù)插拔，電流在這里通通斷斷，尤其熱插拔大的容性負(fù)載的時(shí)候，會(huì)引起端口數(shù)十安培的浪涌電流；接口處也有可能因?yàn)檫M(jìn)入異物導(dǎo)致短路。
出現(xiàn)這兩種情形，輕則導(dǎo)致USB接口處線纜被燒壞，重則燒壞后端控制芯片。因此，需要對(duì)USB接口進(jìn)行限流保護(hù)。
傳統(tǒng)的PTC保護(hù)方案
圖2所示，傳統(tǒng)的保護(hù)方案是在VBUS線上串聯(lián)一個(gè)可恢復(fù)保險(xiǎn)絲（PTC）。
PTC的缺點(diǎn)有: 斷開(kāi)時(shí)間慢、導(dǎo)通電阻大、過(guò)流點(diǎn)不精確、環(huán)境溫度影響大?？苫謴?fù)保險(xiǎn)絲（PTC）在經(jīng)歷過(guò)一次斷開(kāi)保護(hù)或處于高溫環(huán)境下，如波峰焊后，其電阻可能永久性的增加。
與之相比，使用限流開(kāi)關(guān)的方案就有許多優(yōu)點(diǎn)，器件內(nèi)部集成的MOS管是PMOS，具有比較低的導(dǎo)通電阻，只有80毫歐姆左右，低的導(dǎo)通電阻有利于減小落在器件本身的壓降，使USB端口輸出電壓能夠符合標(biāo)準(zhǔn)。
應(yīng)用很簡(jiǎn)單，如圖3所示
下游設(shè)備與USB接口連接，設(shè)備電源由VBUS 提供，當(dāng)設(shè)備短路或發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，通過(guò)限流開(kāi)關(guān)可及時(shí)使VBUS 輸出限流，并使故障輸出標(biāo)志位 輸出一個(gè)低電平信號(hào)。
這就避免了由于電源過(guò)載從而可能導(dǎo)致的系統(tǒng)癱瘓和產(chǎn)品不能正常工作。另外，微處理器通過(guò)對(duì)故障標(biāo)志位的檢測(cè)，可進(jìn)行故障告警等處理措施，有利于故障定位、系統(tǒng)狀態(tài)顯示等操作。
當(dāng)然，利用限流開(kāi)關(guān)的使能管腳EN，可非常方便的對(duì)設(shè)備進(jìn)行配電管理。
在一些應(yīng)用中，下游設(shè)備即使在待機(jī)狀態(tài)其漏電流也相對(duì)較高，有的可達(dá)幾十μA甚至數(shù)mA，若通過(guò)EN管腳關(guān)閉VBUS的供電，此時(shí)關(guān)斷電流小于1μA，這將極大地節(jié)省功耗，這在電池供電產(chǎn)品中非常有利，可有效延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。
MOS管大家應(yīng)該都不陌生，金氧半場(chǎng)效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管（field-effect transistor）。
MOSFET依照其“通道”（工作載流子）的極性不同，可分為“N型”與“P型” 的兩種類型，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其基本原理還是利用半導(dǎo)體材料的性質(zhì)做成的開(kāi)關(guān)器件，電腦的CPU就是由很多很多的場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成。
下圖4是其電路符號(hào)，圖5是其結(jié)構(gòu)原理圖。
集成芯片就是在一塊硅片上通過(guò)光刻，腐蝕等各種復(fù)雜工藝一步一步做出許多這樣的最基本的結(jié)構(gòu)，最終通過(guò)金屬連線連接成復(fù)雜電路的。
可以說(shuō)，MOSFET是集成電路里面最基本的元器件，數(shù)億只晶體管協(xié)同工作，通過(guò)開(kāi)或關(guān)兩種狀態(tài)，組成二進(jìn)制的1或0，這就是為什么其實(shí)電腦的核心CPU處理的最基本的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制的原因。
MOSFET的工作原理要當(dāng)一個(gè)夠大的電位差施于MOSFET的柵極與源極（source）之間時(shí)，電場(chǎng)會(huì)在氧化層下方的半導(dǎo)體表面形成感應(yīng)電荷，而這時(shí)所謂的“反型層”（inversion channel）就會(huì)形成。
通道的極性與其漏極（drain）與源極相同，假設(shè)漏極和源極是N型，那么通道也會(huì)是N型。通道形成后，MOSFET即可讓電流通過(guò)，而依據(jù)施于柵極的電壓值不同，可由MOSFET的通道流過(guò)的電流大小亦會(huì)受其控制而改變。
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