P溝道和N溝道MOS管工作原理-P溝道和N溝道MOS管應該如何選擇-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-07-23
正確選擇MOS管是很重要的一個(gè)環(huán)節，MOS管選擇不好有可能影響到整個(gè)電路的效率和成本，了解不同的MOS管部件的細微差別及不同開(kāi)關(guān)電路中的應力能夠幫助工程師避免諸多問(wèn)題，下面我們來(lái)學(xué)習下MOS管的正確的選擇方法。
為設計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOS管。在典型的功率應用中，當一個(gè)MOS管接地，而負載連接到干線(xiàn)電壓上時(shí)，該MOS管就構成了低壓側開(kāi)關(guān)。在低壓側開(kāi)關(guān)中，應采用N溝道MOS管，這是出于對關(guān)閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOS管連接到總線(xiàn)及負載接地時(shí)，就要用高壓側開(kāi)關(guān)。通常會(huì )在這個(gè)拓撲中采用P溝道MOS管，這也是出于對電壓驅動(dòng)的考慮。
要選擇適合應用的器件，必須確定驅動(dòng)器件所需的電壓，以及在設計中最簡(jiǎn)易執行的方法。下一步是確定所需的額定電壓，或者器件所能承受的最大電壓。額定電壓越大，器件的成本就越高。根據實(shí)踐經(jīng)驗，額定電壓應當大于干線(xiàn)電壓或總線(xiàn)電壓。這樣才能提供足夠的保護，使MOS管不會(huì )失效。就選擇MOS管而言，必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大VDS.知道MOS管能承受的最大電壓會(huì )隨溫度而變化這點(diǎn)十分重要。設計人員必須在整個(gè)工作溫度范圍內測試電壓的變化范圍。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個(gè)變化范圍，確保電路不會(huì )失效。設計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開(kāi)關(guān)電子設備（如電機或變壓器）誘發(fā)的電壓瞬變。不同應用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設備為20V、FPGA電源為20~30V、85~220VAC應用為450~600V.
第二步是選擇P溝道和N溝道MOS管的額定電流。視電路結構而定，該額定電流應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，設計人員必須確保所選的MOS管能承受這個(gè)額定電流，即使在系統產(chǎn)生尖峰電流時(shí)。兩個(gè)考慮的電流情況是連續模式和脈沖尖峰。在連續導通模式下，MOS管處于穩態(tài)，此時(shí)電流連續通過(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，還必須計算導通損耗。在實(shí)際情況下，MOS管并不是理想的器件，因為在導電過(guò)程中會(huì )有電能損耗，這稱(chēng)之為導通損耗。MOS管在"導通"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(zhù)變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS（ON）計算，由于導通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會(huì )隨之按比例變化。對MOS管施加的電壓VGS越高，RDS（ON）就會(huì )越??；反之RDS（ON）就會(huì )越高。對系統設計人員來(lái)說(shuō)，這就是取決于系統電壓而需要折中權衡的地方。對便攜式設計來(lái)說(shuō)，采用較低的電壓比較容易（較為普遍），而對于工業(yè)設計，可采用較高的電壓。注意RDS（ON）電阻會(huì )隨著(zhù)電流輕微上升。關(guān)于RDS（ON）電阻的各種電氣參數變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。
技術(shù)對器件的特性有著(zhù)重大影響，因為有些技術(shù)在提高最大VDS時(shí)往往會(huì )使RDS（ON）增大。對于這樣的技術(shù)，如果打算降低VDS和RDS（ON），那么就得增加晶片尺寸，從而增加與之配套的封裝尺寸及相關(guān)的開(kāi)發(fā)成本。業(yè)界現有好幾種試圖控制晶片尺寸增加的技術(shù)，其中最主要的是溝道和電荷平衡技術(shù)。
在溝道技術(shù)中，晶片中嵌入了一個(gè)深溝，通常是為低電壓預留的，用于降低導通電阻RDS（ON）。為了減少最大VDS對RDS（ON）的影響，開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用了外延生長(cháng)柱/蝕刻柱工藝。例如，飛兆半導體開(kāi)發(fā)了稱(chēng)為SupeRFET的技術(shù)，針對RDS（ON）的降低而增加了額外的制造步驟。這種對RDS（ON）的關(guān)注十分重要，因為當標準MOSFET的擊穿電壓升高時(shí)，RDS（ON）會(huì )隨之呈指數級增加，并且導致晶片尺寸增大。SuperFET工藝將RDS（ON）與晶片尺寸間的指數關(guān)系變成了線(xiàn)性關(guān)系。這樣，SuperFET器件便可在小晶片尺寸，甚至在擊穿電壓達到600V的情況下，實(shí)現理想的低RDS（ON）。結果是晶片尺寸可減小達35%.而對于最終用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)封裝尺寸的大幅減小。
P溝道和N溝道MOS管選擇的下一步是計算系統的散熱要求。設計人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對最壞情況的計算結果，因為這個(gè)結果提供更大的安全余量，能確保系統不會(huì )失效。在MOS管的資料表上還有一些需要注意的測量數據；比如封裝器件的半導體結與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結溫。器件的結溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積（結溫=最大環(huán)境溫度+[熱阻×功率耗散]）。根據這個(gè)方程可解出系統的最大功率耗散，即按定義相等于I2×RDS（ON）。由于設計人員已確定將要通過(guò)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(jiǎn)單熱模型時(shí)，設計人員還必須考慮半導體結/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。
雪崩擊穿是指半導體器件上的反向電壓超過(guò)最大值，并形成強電場(chǎng)使器件內電流增加。該電流將耗散功率，使器件的溫度升高，而且有可能損壞器件。半導體公司都會(huì )對器件進(jìn)行雪崩測試，計算其雪崩電壓，或對器件的穩健性進(jìn)行測試。計算額定雪崩電壓有兩種方法；一是統計法，另一是熱計算。而熱算因為較為實(shí)用而得到廣泛采用。除計算外，技術(shù)對雪崩效應也有很大影響。例如，晶片尺寸的增加會(huì )提高抗雪崩能力，最終提高器件的穩健性。對最終用戶(hù)而言，這意味著(zhù)要在系統中采用更大的封裝件。
P溝道和N溝道MOS管選擇的最后一步是決定MOS管的開(kāi)關(guān)性能。影響開(kāi)關(guān)性能的參數有很多，但最重要的是柵極/漏極、柵極/ 源極及漏極/源極電容。這些電容會(huì )在器件中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，因為在每次開(kāi)關(guān)時(shí)都要對它們充電。MOS管的開(kāi)關(guān)速度因此被降低，器件效率也下降。為計算開(kāi)關(guān)過(guò)程中器件的總損耗，設計人員必須計算開(kāi)通過(guò)程中的損耗（Eon）和關(guān)閉過(guò)程中的損耗（Eoff）。MOSFET開(kāi)關(guān)的總功率可用如下方程表達：Psw=（Eon+Eoff）×開(kāi)關(guān)頻率。而柵極電荷（Qgd）對開(kāi)關(guān)性能的影響最大。
在實(shí)際項目中，我們基本都用增強型mos管，分為N溝道和P溝道兩種。
我們常用的是NMOS，因為其導通電阻小，且容易制造。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，在驅動(dòng)感性負載（如馬達），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，在集成電路芯片內部通常是沒(méi)有的。
1.導通特性
NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會(huì )導通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅動(dòng)），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(huì )導通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅動(dòng)）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動(dòng)，但由于導通電阻大，價(jià)格貴，替換種類(lèi)少等原因，在高端驅動(dòng)中，通常還是使用NMOS。
2.MOS開(kāi)關(guān)管損失
不管是NMOS還是PMOS，導通后都有導通電阻存在，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通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會(huì )減小導通損耗?，F在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。
MOS在導通和截止的時(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，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)損失比導通損失大得多，而且開(kāi)關(guān)頻率越高，損失也越大。
導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，可以減小每次導通時(shí)的損失；降低開(kāi)關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內的開(kāi)關(guān)次數。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。
3.MOS管驅動(dòng)
跟雙極性晶體管相比，一般認為使MOS管導通不需要電流，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管的結構中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅動(dòng)，實(shí)際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個(gè)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(huì )比較大。選擇/設計MOS管驅動(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，普遍用于高端驅動(dòng)的NMOS，導通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅動(dòng)的MOS管導通時(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。很多馬達驅動(dòng)器都集成了電荷泵，要注意的是應該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅動(dòng)MOS管。
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