MOS管知識概述-MOS開(kāi)關(guān)管選擇方法與步驟詳解 原理應用-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-01-24
本文主要講述MOS開(kāi)關(guān)管的選擇及原理應用，mos管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導體(semiconductor)場(chǎng)效應晶體管，或者稱(chēng)是金屬—絕緣體(insulator)、半導體。MOS管的source和drain是可以對調的，他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下，這個(gè)兩個(gè)區是一樣的，即使兩端對調也不會(huì )影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱(chēng)的。
一般情況下普遍用于高端驅動(dòng)的MOS，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。
MOS管是電壓驅動(dòng)，按理說(shuō)只要柵極電壓到到開(kāi)啟電壓就能導通DS，柵極串多大電阻均能導通。但如果要求開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，柵對地或VCC可以看做是一個(gè)電容，對于一個(gè)電容來(lái)說(shuō)，串的電阻越大，柵極達到導通電壓時(shí)間越長(cháng)，MOS處于半導通狀態(tài)時(shí)間也越長(cháng)，在半導通狀態(tài)內阻較大，發(fā)熱也會(huì )增大，極易損壞MOS，所以高頻時(shí)柵極柵極串的電阻不但要小，一般要加前置驅動(dòng)電路的。
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(lèi)型，但實(shí)際應用的只有增強型的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 —— 原因是導通電阻小，且容易制造，所以開(kāi)關(guān)電源和馬達驅動(dòng)的應用中，一般都用NMOS。
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計或選擇驅動(dòng)電路的時(shí)候要麻煩一些，但沒(méi)有辦法避免，后邊再詳細介紹。
在MOS管的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。
導通的意思是作為開(kāi)關(guān)，相當于開(kāi)關(guān)閉合。
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。
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和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。
而在進(jìn)行MOSFET的選擇時(shí)，因為MOSFET有兩大類(lèi)型：N溝道和P溝道。在功率系統中，MOSFET可被看成電氣開(kāi)關(guān)。當在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時(shí)，其開(kāi)關(guān)導通。導通時(shí)，電流可經(jīng)開(kāi)關(guān)從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個(gè)內阻，稱(chēng)為導通電阻RDS(ON)。
必須清楚MOSFET的柵極是個(gè)高阻抗端，因此，總是要在柵極加上一個(gè)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，器件將不能按設計意圖工作，并可能在不恰當的時(shí)刻導通或關(guān)閉，導致系統產(chǎn)生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過(guò)器件。雖然這時(shí)器件已經(jīng)關(guān)閉，但仍然有微小電流存在，這稱(chēng)之為漏電流，即IDSS。
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)頻率越快，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。
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MOSFET。在典型的功率應用中，當一個(gè)MOSFET接地，而負載連接到干線(xiàn)電壓上時(shí)，該MOSFET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MOSFET，這是出于對關(guān)閉或導通器件所需電壓的考慮。
當MOSFET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MOSFET，這也是出于對電壓驅動(dòng)的考慮。
第二步是選擇MOSFET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MOSFET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，MOSFET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，MOSFET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。MOSFET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MOSFET施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會(huì )越小，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。
選擇MOSFET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MOSFET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。
通常，一個(gè)PMOS管，會(huì )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(kāi)啟電壓可以為0,而DS電壓之間電壓相差不大，而NMOS的導通條件要求VGS要大于閾值，這將導致控制電壓必然大于所需的電壓，會(huì )出現不必要的麻煩。
由PMOS來(lái)進(jìn)行電壓的選擇，當V8V存在時(shí)，此時(shí)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(shí)，VSIN由8V供電。注意R120的接地，該電阻能將柵極電壓穩定地拉低，確保PMOS的正常開(kāi)啟，這也是前文所描述的柵極高阻抗所帶來(lái)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(shí)際上該電路的DS接反，這樣由附生二極管導通導致了開(kāi)關(guān)管的功能不能達到，實(shí)際應用要注意。
來(lái)看這個(gè)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(méi)有接反，R110與R113存在的意義在于R110控制柵極電流不至于過(guò)大，R113控制柵極的常態(tài)，將R113上拉為高，截至PMOS，同時(shí)也可以看作是對控制信號的上拉。當MCU內部管腳并沒(méi)有上拉時(shí)，即輸出為開(kāi)漏時(shí)，并不能驅動(dòng)PMOS關(guān)閉，此時(shí)，就需要外部電壓給予的上拉，所以電阻R113起到了兩個(gè)作用。R110可以更小，到100歐姆也可。
靜態(tài)特性
MOS管作為開(kāi)關(guān)元件，同樣是工作在截止或導通兩種狀態(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，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管工作在導通區，漏源電流iDS=UDD/(RD+rDS)。其中，rDS為MOS管導通時(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。
動(dòng)態(tài)特性
MOS管在導通與截止兩種狀態(tài)發(fā)生轉換時(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，而管子本身導通和截止時(shí)電荷積累和消散的時(shí)間是很小的。下圖分別給出了一個(gè)NMOS管組成的電路及其動(dòng)態(tài)特性示意圖。
當輸入電壓ui由高變低，MOS管由導通狀態(tài)轉換為截止狀態(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)楦唠娖健?/span>
當輸入電壓ui由低變高，MOS管由截止狀態(tài)轉換為導通狀態(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τ2≈rDSCL?？梢?jiàn)，輸出電壓Uo也要經(jīng)過(guò)一定延時(shí)才能轉變成低電平。但因為rDS比RD小得多，所以，由截止到導通的轉換時(shí)間比由導通到截止的轉換時(shí)間要短。
由于MOS管導通時(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(cháng)，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。
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