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。
一般來說,，普遍用于高端驅(qū)動的 MOS,，導(dǎo)通時需要是柵極電壓大于源極電壓，而高端驅(qū)動的 MOS 管導(dǎo)通時源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,，所以這時柵極電壓要比 VCC 大 4V 或 10V,。如果在同一個系統(tǒng)里，要得到比 VCC 大的電壓,，就要專門的升壓電路了,。很多馬達驅(qū)動器都集成了電荷泵，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 MOS 管,。
MOS 管是電壓驅(qū)動，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，柵對地或 VCC 可以看做是一個電容,，對于一個電容來說,，串的電阻越大，柵極達到導(dǎo)通電壓時間越長,，MOS 處于半導(dǎo)通狀態(tài)時間也越長,，在半導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)阻較大，發(fā)熱也會增大,，極易損壞 MOS,，所以高頻時柵極柵極串的電阻不但要小，一般要加前置驅(qū)動電路的,。
下面我們先來了解一下
MOS 管開關(guān)的基礎(chǔ)知識
No.1 MOS 管種類和結(jié)構(gòu)
MOSFET 管是 FET 的一種(另一種是 JFET),，可以被制造成增強型或耗盡型,，P 溝道或 N 溝道共 4 種類型，但實際應(yīng)用的只有增強型的 N 溝道 MOS 管和增強型的 P 溝道 MOS 管,，所以通常提到 NMOS,，或者 PMOS 指的就是這兩種。對于這兩種增強型 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)電源和馬達驅(qū)動的應(yīng)用中,，一般都用 NMOS,。
MOS 管的三個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)計或選擇驅(qū)動電路的時候要麻煩一些，但沒有辦法避免,，后邊再詳細介紹,。在 MOS 管的漏極和源極之間有一個寄生二極管，這個叫體二極管,，在驅(qū)動感性負載(如馬達)，這個二極管很重要,。順便說一句,，體二極管只在單個的 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),，相當于開關(guān)閉合。
NMOS 的特性,，Vgs 大于一定的值就會導(dǎo)通,，適合用于源極接地時的情況(低端驅(qū)動)，只要柵極電壓達到 4V 或 10V 就可以了,。PMOS 的特性,，Vgs 小于一定的值就會導(dǎo)通，適合用于源極接 VCC 時的情況(高端驅(qū)動),。
但是,，雖然 PMOS 可以很方便地用作高端驅(qū)動，但由于導(dǎo)通電阻大,，價格貴,，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動中,，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，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量,，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)通和截止的時候，一定不是在瞬間完成的,。MOS 兩端的電壓有一個下降的過程,，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內(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)時間,，可以減小每次導(dǎo)通時的損失;降低開關(guān)頻率,，可以減小單位時間內(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
跟雙極性晶體管相比,，一般認為使 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,，實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流,，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路,，所以瞬間電流會比較大。選擇 / 設(shè)計 MOS 管驅(qū)動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小,。
而在進行 MOSFET 的選擇時,，因為 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),。當在 N 溝道 MOSFET 的柵極和源極間加上正電壓時,，其開關(guān)導(dǎo)通。導(dǎo)通時,，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內(nèi)阻，稱為導(dǎo)通電阻 RDS(ON),。
必須清楚 MOSFET 的柵極是個高阻抗端,，因此，總是要在柵極加上一個電壓,，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)計意圖工作,，并可能在不恰當?shù)臅r刻導(dǎo)通或關(guān)閉,，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時,，開關(guān)關(guān)閉,，而電流停止通過器件。雖然這時器件已經(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,，當一個 MOSFET 接地,，而負載連接到干線電壓上時，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，這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤],。
當 MOSFET 連接到總線及負載接地時,，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個拓撲中采用 P 溝道 MOSFET,，這也是出于對電壓驅(qū)動的考慮,。
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)計人員必須確保所選的 MOSFET 能承受這個額定電流，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時,。兩個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最大電流的器件便可,。
選好額定電流后，還必須計算導(dǎo)通損耗,。在實際情況下,，MOSFET 并不是理想的器件，因為在導(dǎo)電過程中會有電能損耗,，這稱之為導(dǎo)通損耗,。MOSFET 在“導(dǎo)通”時就像一個可變電阻，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)計算，由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化,，因此功率耗損也會隨之按比例變化,。對 MOSFET 施加的電壓 VGS 越高，RDS(ON)就會越小,，反之 RDS(ON)就會越高,。
對系統(tǒng)設(shè)計人員來說，這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權(quán)衡的地方,。對便攜式設(shè)計來說,，采用較低的電壓比較容易(較為普遍)，而對于工業(yè)設(shè)計,，可采用較高的電壓,。注意 RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升，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 的下一步是計算系統(tǒng)的散熱要求,。設(shè)計人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實情況,。建議采用針對最壞情況的計算結(jié)果,，因為這個結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會失效。在 MOSFET 的資料表上還有一些需要注意的測量數(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)計人員已確定將要通過器件的最大電流,，因此可以計算出不同溫度下的 RDS(ON),。值得注意的是，在處理簡單熱模型時,，設(shè)計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立即升溫。
通常,，一個 PMOS 管,，會有寄生的二極管存在，該二極管的作用是防止源漏端反接,，對于 PMOS 而言,，比起 NMOS 的優(yōu)勢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 來進行電壓的選擇,，當 V8V 存在時，此時電壓全部由 V8V 提供,，將 PMOS 關(guān)閉,，VBAT 不提供電壓給 VSIN，而當 V8V 為低時,，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)管的功能不能達到,，實際應(yīng)用要注意。
2
來看這個電路,，控制信號 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,，同時也可以看作是對控制信號的上拉,。當 MCU 內(nèi)部管腳并沒有上拉時，即輸出為開漏時,，并不能驅(qū)動 PMOS 關(guān)閉,，此時，就需要外部電壓給予的上拉,，所以電阻 R113 起到了兩個作用,。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)換時同樣存在過渡過程,，但其動態(tài)特性主要取決于與電路有關(guān)的雜散電容充、放電所需的時間,，而管子本身導(dǎo)通和截止時電荷積累和消散的時間是很小的,。下圖分別給出了一個 NMOS 管組成的電路及其動態(tài)特性示意圖。
NMOS 管動態(tài)特性示意圖
當輸入電壓 ui 由高變低，MOS 管由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為截止狀態(tài)時,，電源 UDD 通過 RD 向雜散電容 CL 充電,，充電時間常數(shù)τ1=RDCL，所以,，輸出電壓 uo 要通過一定延時才由低電平變?yōu)楦唠娖健?/p>
當輸入電壓 ui 由低變高,，MOS 管由截止狀態(tài)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)時，雜散電容 CL 上的電荷通過 rDS 進行放電,，其放電時間常數(shù)τ2≈rDSCL,。可見,，輸出電壓 Uo 也要經(jīng)過一定延時才能轉(zhuǎn)變成低電平,。但因為 rDS 比 RD 小得多，所以,，由截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換時間比由導(dǎo)通到截止的轉(zhuǎn)換時間要短,。
由于 MOS 管導(dǎo)通時的漏源電阻 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>