在使用MOS管設計開(kāi)關(guān)電源或者馬達驅動(dòng)電路的時(shí)候，大部分人都會(huì )考慮MOS的導通電阻，最大電壓等，最大電流等，也有很多人僅僅考慮這些因素。這樣的電路也許是可以工作的，但并不是優(yōu)秀的，作為正式的產(chǎn)品設計也是不允許的。

1、MOS管種類(lèi)和結構

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。下面的介紹中，也多以NMOS為主。

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。

MOS管的開(kāi)關(guān)特性

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。

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。

2、MOS管導通特性

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。

3、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。

4、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。

上邊說(shuō)的4V或10V是常用的MOS管的導通電壓，設計時(shí)當然需要有一定的余量。而且電壓越高，導通速度越快，導通電阻也越小?，F在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里，但在12V汽車(chē)電子系統里，一般4V導通就夠用了。

5、MOS管應用電路

MOS管最顯著(zhù)的特性是開(kāi)關(guān)特性好，所以被廣泛應用在需要電子開(kāi)關(guān)的電路中，常見(jiàn)的如開(kāi)關(guān)電源和馬達驅動(dòng)，也有照明調光。

6、開(kāi)關(guān)MOS管發(fā)熱的一般原因

做電源設計，或者做驅動(dòng)方面的電路，難免要用到場(chǎng)效應管，也就是人們常說(shuō)的MOS管。MOS管有很多種類(lèi)，也有很多作用。做電源或者驅動(dòng)的使用，當然就是用它的開(kāi)關(guān)作用。

無(wú)論N型或者P型MOS管，其工作原理本質(zhì)是一樣的。MOS管是由加在輸入端柵極的電壓來(lái)控制輸出端漏極的電流。MOS管是壓控器件它通過(guò)加在柵極上的電壓控制器件的特性，不會(huì )發(fā)生像三極管做開(kāi)關(guān)時(shí)的因基極電流引起的電荷存儲效應，因此在開(kāi)關(guān)應用中，MOS管的開(kāi)關(guān)速度應該比三極管快。其主要原理如圖：圖1。

我們在開(kāi)關(guān)電源中常用MOS管的漏極開(kāi)路電路，如圖2漏極原封不動(dòng)地接負載，叫開(kāi)路漏極，開(kāi)路漏極電路中不管負載接多高的電壓，都能夠接通和關(guān)斷負載電流。是理想的模擬開(kāi)關(guān)器件。這就是MOS管做開(kāi)關(guān)器件的原理。當然MOS管做開(kāi)關(guān)使用的電路形式比較多了。

在開(kāi)關(guān)電源應用方面，這種應用需要MOS管定期導通和關(guān)斷。比如，DC-DC電源中常用的基本降壓轉換器依賴(lài)兩個(gè)MOS管來(lái)執行開(kāi)關(guān)功能，這些開(kāi)關(guān)交替在電感里存儲能量，然后把能量釋放給負載。我們常選擇數百kHz乃至1MHz以上的頻率，因為頻率越高，磁性元件可以更小更輕。在正常工作期間，MOS管只相當于一個(gè)導體。因此，我們電路或者電源設計人員最關(guān)心的是MOS的最小傳導損耗。

我們經(jīng)?？碝OS管的PDF參數，MOS管制造商采用RDS（ON）參數來(lái)定義導通阻抗，對開(kāi)關(guān)應用來(lái)說(shuō)，RDS（ON）也是最重要的器件特性。數據手冊定義RDS（ON）與柵極（或驅動(dòng)）電壓VGS以及流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流有關(guān)，但對于充分的柵極驅動(dòng)，RDS（ON）是一個(gè)相對靜態(tài)參數。一直處于導通的MOS管很容易發(fā)熱。另外，慢慢升高的結溫也會(huì )導致RDS（ON）的增加。MOS管數據手冊規定了熱阻抗參數，其定義為MOS管封裝的半導體結散熱能力。RθJC的最簡(jiǎn)單的定義是結到管殼的熱阻抗。

①發(fā)熱情況有，電路設計的問(wèn)題，就是讓MOS管工作在線(xiàn)性的工作狀態(tài)，而不是在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。這也是導致MOS管發(fā)熱的一個(gè)原因。如果N-MOS做開(kāi)關(guān)，G級電壓要比電源高幾V，才能完全導通，P-MOS則相反。沒(méi)有完全打開(kāi)而壓降過(guò)大造成功率消耗，等效直流阻抗比較大，壓降增大，所以U*I也增大，損耗就意味著(zhù)發(fā)熱。這是設計電路的最忌諱的錯誤。

②頻率太高，主要是有時(shí)過(guò)分追求體積，導致頻率提高，MOS管上的損耗增大了，所以發(fā)熱也加大了

③沒(méi)有做好足夠的散熱設計，電流太高，MOS管標稱(chēng)的電流值，一般需要良好的散熱才能達到。所以ID小于最大電流，也可能發(fā)熱嚴重，需要足夠的輔助散熱片。

④MOS管的選型有誤，對功率判斷有誤，MOS管內阻沒(méi)有充分考慮，導致開(kāi)關(guān)阻抗增大.

其實(shí)這些問(wèn)題也是老生常談的問(wèn)題，做開(kāi)關(guān)電源或者M(jìn)OS管開(kāi)關(guān)驅動(dòng)這些知識應該是爛熟于心，當然有時(shí)還有其他方面的因素，主要就是以上幾種原因。

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