最簡(jiǎn)單的mos管開(kāi)關(guān)電路圖-詳解九種簡(jiǎn)易mos管開(kāi)關(guān)電路圖-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-06-12
第一種：mos管開(kāi)關(guān)電路圖
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 (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。
（NMOS管動(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?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.可見(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。
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.
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。
圖中電池的正電通過(guò)開(kāi)關(guān)S1接到場(chǎng)效應管Q1的2腳源極，由于Q1是一個(gè)P溝道管，它的1腳柵極通過(guò)R20電阻提供一個(gè)正電位電壓，所以不能通電，電壓不能繼續通過(guò)，3v穩壓IC輸入腳得不到電壓所以就不能工作不開(kāi)機！這時(shí)，如果我們按下SW1開(kāi)機按鍵時(shí)，正電通過(guò)按鍵、R11、R23、D4加到三極管Q2的基極，三極管Q2的基極得到一個(gè)正電位，三極管導通（前面講到三極管的時(shí)候已經(jīng)講過(guò)），由于三極管的發(fā)射極直接接地，三極管Q2導通就相當于Q1的柵極直接接地，加在它上面的通過(guò)R20電阻的電壓就直接入了地，Q1的柵極就從高電位變?yōu)榈碗娢?，Q1導通電就從Q1同過(guò)加到3v穩壓IC的輸入腳，3v穩壓IC就是那個(gè)U1輸出3v的工作電壓vcc供給主控，主控通過(guò)復位清0，讀取固件程序檢測等一系列動(dòng)作，輸處一個(gè)控制電壓到PWR_ON再通過(guò)R24、R13分壓送到Q2的基極，保持Q2一直處于導通狀態(tài)，即使你松開(kāi)開(kāi)機鍵斷開(kāi)Q1的基極電壓，這時(shí)候有主控送來(lái)的控制電壓保持著(zhù)，Q2也就一直能夠處于導通狀態(tài)，Q1就能源源不斷的給3v穩壓IC提供工作電壓！SW1還同時(shí)通過(guò)R11、R30兩個(gè)電阻的分壓，給主控PLAYON腳送去時(shí)間長(cháng)短、次數不同的控制信號，主控通過(guò)固件鑒別是播放、暫停、開(kāi)機、關(guān)機而輸出不同的結果給相應的控制點(diǎn)，以達到不同的工作狀態(tài)！
下圖是兩種MOS管的典型應用：其中第一種NMOS管為高電平導通，低電平截斷，Drain端接后面電路的接地端；第二種為PMOS管典型開(kāi)關(guān)電路，為高電平斷開(kāi)，低電平導通，Drain端接后面電路的VCC端。
圖5 隔離驅動(dòng)
為了滿(mǎn)足如圖5所示高端MOS管的驅動(dòng)，經(jīng)常會(huì )采用變壓器驅動(dòng)，有時(shí)為了滿(mǎn)足安全隔離也使用變壓器驅動(dòng)。其中R1目的是抑制PCB板上寄生的電感與C1形成LC振蕩，C1的目的是隔開(kāi)直流，通過(guò)交流，同時(shí)也能防止磁芯飽和。
圖7（a）為常用的小功率驅動(dòng)電路，簡(jiǎn)單可靠成本低。適用于不要求隔離的小功率開(kāi)關(guān)設備。圖7（b）所示驅動(dòng)電路開(kāi)關(guān)速度很快，驅動(dòng)能力強，為防止兩個(gè)MOSFET管直通，通常串接一個(gè)0.5～1Ω小電阻用于限流，該電路適用于不要求隔離的中功率開(kāi)關(guān)設備。這兩種電路特點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單。
功率MOSFET屬于電壓型控制器件，只要柵極和源極之間施加的電壓超過(guò)其閥值電壓就會(huì )導通。由于MOSFET存在結電容，關(guān)斷時(shí)其漏源兩端電壓的突然上升將會(huì )通過(guò)結電容在柵源兩端產(chǎn)生干擾電壓。常用的互補驅動(dòng)電路的關(guān)斷回路阻抗小，關(guān)斷速度較快，但它不能提供負壓，故抗干擾性較差。為了提高電路的抗干擾性，可在此種驅動(dòng)電路的基礎上增加一級有V1、V2、R組成的電路，產(chǎn)生一個(gè)負壓，電路原理圖如圖8所示。
當V1導通時(shí)，V2關(guān)斷，兩個(gè)MOSFET中的上管的柵、源極放電，下管的柵、源極充電，即上管關(guān)斷，下管導通，則被驅動(dòng)的功率管關(guān)斷;反之V1關(guān)斷時(shí)，V2導通，上管導通，下管關(guān)斷，使驅動(dòng)的管子導通。因為上下兩個(gè)管子的柵、源極通過(guò)不同的回路充放電，包含有V2的回路，由于V2會(huì )不斷退出飽和直至關(guān)斷，所以對于S1而言導通比關(guān)斷要慢，對于S2而言導通比關(guān)斷要快，所以?xún)晒馨l(fā)熱程度也不完全一樣，S1比S2發(fā)熱嚴重。
該驅動(dòng)電路的缺點(diǎn)是需要雙電源，且由于R的取值不能過(guò)大，否則會(huì )使V1深度飽和，影響關(guān)斷速度，所以R上會(huì )有一定的損耗。
電路原理如圖9（a）所示，N3為去磁繞組，S2為所驅動(dòng)的功率管。R2為防止功率管柵極、源極端電壓振蕩的一個(gè)阻尼電阻。因不要求漏感較小，且從速度方面考慮，一般R2較小，故在分析中忽略不計。
其等效電路圖如圖9（b）所示脈沖不要求的副邊并聯(lián)一電阻R1，它做為正激變換器的假負載，用于消除關(guān)斷期間輸出電壓發(fā)生振蕩而誤導通。同時(shí)它還可以作為功率MOSFET關(guān)斷時(shí)的能量泄放回路。該驅動(dòng)電路的導通速度主要與被驅動(dòng)的S2柵極、源極等效輸入電容的大小、S1的驅動(dòng)信號的速度以及S1所能提供的電流大小有關(guān)。由仿真及分析可知，占空比D越小、R1越大、L越大，磁化電流越小，U1值越小，關(guān)斷速度越慢。該電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：①電路結構簡(jiǎn)單可靠，實(shí)現了隔離驅動(dòng)。②只需單電源即可提供導通時(shí)的正、關(guān)斷時(shí)負壓。③占空比固定時(shí)，通過(guò)合理的參數設計，此驅動(dòng)電路也具有較快的開(kāi)關(guān)速度。
該電路存在的缺點(diǎn)：一是由于隔離變壓器副邊需要噎嗝假負載防振蕩，故電路損耗較大;二是當占空比變化時(shí)關(guān)斷速度變化較大。脈寬較窄時(shí)，由于是儲存的能量減少導致MOSFET柵極的關(guān)斷速度變慢。
如圖10所示，V1、V2為互補工作，電容C起隔離直流的作用，T1為高頻、高磁率的磁環(huán)或磁罐。
導通時(shí)隔離變壓器上的電壓為（1-D）Ui、關(guān)斷時(shí)為DUi，若主功率管S可靠導通電壓為12V，而隔離變壓器原副邊匝比N1/N2為12/［（1-D）Ui］。為保證導通期間GS電壓穩定C值可稍取大些。該電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①電路結構簡(jiǎn)單可靠，具有電氣隔離作用。當脈寬變化時(shí)，驅動(dòng)的關(guān)斷能力不會(huì )隨著(zhù)變化。
②該電路只需一個(gè)電源，即為單電源工作。隔直電容C的作用可以在關(guān)斷所驅動(dòng)的管子時(shí)提供一個(gè)負壓，從而加速了功率管的關(guān)斷，且有較高的抗干擾能力。
但該電路存在的一個(gè)較大缺點(diǎn)是輸出電壓的幅值會(huì )隨著(zhù)占空比的變化而變化。當D較小時(shí)，負向電壓小，該電路的抗干擾性變差，且正向電壓較高，應該注意使其幅值不超過(guò)MOSFET柵極的允許電壓。當D大于0.5時(shí)驅動(dòng)電壓正向電壓小于其負向電壓，此時(shí)應該注意使其負電壓值不超過(guò)MOAFET柵極允許電壓。所以該電路比較適用于占空比固定或占空比變化范圍不大以及占空比小于0.5的場(chǎng)合。
電路構成如圖11所示。其中UC3724用來(lái)產(chǎn)生高頻載波信號，載波頻率由電容CT和電阻RT決定。一般載波頻率小于600kHz，4腳和6腳兩端產(chǎn)生高頻調制波，經(jīng)高頻小磁環(huán)變壓器隔離后送到UC3725芯片7、8兩腳經(jīng)UC3725進(jìn)行調制后得到驅動(dòng)信號，UC3725內部有一肖特基整流橋同時(shí)將7、8腳的高頻調制波整流成一直流電壓供驅動(dòng)所需功率。一般來(lái)說(shuō)載波頻率越高驅動(dòng)延時(shí)越小，但太高抗干擾變差;隔離變壓器磁化電感越大磁化電流越小，UC3724發(fā)熱越少，但太大使匝數增多導致寄生參數影響變大，同樣會(huì )使抗干擾能力降低。
根據實(shí)驗數據得出：
對于開(kāi)關(guān)頻率小于100kHz的信號一般?。?00～500）kHz載波頻率較好，變壓器選用較高磁導如5K、7K等高頻環(huán)形磁芯，其原邊磁化電感小于約1毫亨左右為好。這種驅動(dòng)電路僅適合于信號頻率小于100kHz的場(chǎng)合，因信號頻率相對載波頻率太高的話(huà)，相對延時(shí)太多，且所需驅動(dòng)功率增大，UC3724和UC3725芯片發(fā)熱溫升較高，故100kHz以上開(kāi)關(guān)頻率僅對較小極電容的MOSFET才可以。對于1kVA左右開(kāi)關(guān)頻率小于100kHz的場(chǎng)合，它是一種良好的驅動(dòng)電路。該電路具有以下特點(diǎn)：?jiǎn)坞娫垂ぷ?，控制信號與驅動(dòng)實(shí)現隔離，結構簡(jiǎn)單尺寸較小，尤其適用于占空比變化不確定或信號頻率也變化的場(chǎng)合。
第一種應用，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。
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