N溝道場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)電路-N溝道開(kāi)關(guān)電路圖設計應用詳解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-07-05
MOSFET一直是大多數N溝道場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)電路電源（SMPS）選擇的晶體管技術(shù)。MOSFET用作主開(kāi)關(guān)晶體管，并用作門(mén)控整流器來(lái)提高效率。本設計實(shí)例對P溝道和N溝道增強型MOSFET做了比較，以便選擇最適合電源應用的開(kāi)關(guān)。MOSFET一直是大多數開(kāi)關(guān)電源（SMPS）首選的晶體管技術(shù)。當用作門(mén)控整流器時(shí)，MOSFET是主開(kāi)關(guān)晶體管且兼具提高效率的作用。為選擇最適合電源應用的開(kāi)關(guān)，本設計實(shí)例對P溝道和N溝道增強型MOSFET進(jìn)行了比較。
對市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)人員，MOSFET可能代表能源傳遞最佳方案（Most Optimal Solution for Energy Transfer）的縮寫(xiě)。對工程師來(lái)說(shuō)，它代表金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。
由于具有較低的導通電阻（RDS(on)）和較小尺寸，N溝道MOSFET在產(chǎn)品選擇上超過(guò)了P溝道。在降壓穩壓器應用中，基于柵控電壓極性、器件尺寸和串聯(lián)電阻等多種因素，使用P溝道MOSFET或N溝道MOSFET作為主N溝道場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)電路。同步整流器應用幾乎總是使用N溝道技術(shù)，這主要是因為N溝道的RDS(on)小于P溝道的，并且通過(guò)在柵極上施加正電壓導通。
MOSFET多數是載流子器件， N溝道MOSFET在導電過(guò)程中有電子流動(dòng)。 P溝道在導電期間使用被稱(chēng)為空穴的正電荷。電子的流動(dòng)性是空穴的三倍。盡管沒(méi)有直接的相關(guān)性，就RDS(on)而言，為得到相等的值，P溝道的管芯尺寸大約是N溝道的三倍。因此N溝道的管芯尺寸更小。
N溝道場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)電路N溝道MOSFET在柵-源極端子上施加適當閾值的正電壓時(shí)導通；P溝道MOSFET通過(guò)施加給定的負的柵-源極電壓導通。
MOSFET的柵控決定了它們在SMPS轉換器中的應用。例如，N溝道MOSFET更適用于以地為參考的低側開(kāi)關(guān)，特別是用于升壓、SEPIC、正向和隔離反激式轉換器。在同步整流器應用以及以太網(wǎng)供電（PoE）輸入整流器中，低側開(kāi)關(guān)也被用來(lái)代替二極管作為整流器。P溝道MOSFET最常用作輸入電壓低于15VDC的降壓穩壓器中的高側開(kāi)關(guān)。根據應用的不同，N溝道場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)電路N溝道MOSFET也可用作降壓穩壓器高側開(kāi)關(guān)。這些應用需要自舉電路或其它形式的高側驅動(dòng)器。
極性決定了MOSFET的圖形符號。不同之處在于體二極管和箭頭符號相對于端子的方向。
極性決定了MOSFET的工作特性。 對N溝道器件為正的電流和電壓對P溝道器件為負值。
在有充足電壓施加到柵-源極端子的歐姆區域（ohmic region），MOSFET“完全導通”。在對比圖中，N溝道歐姆區的VGS是7V，而P溝道的是-4.5V。
隨著(zhù)柵極電壓增加，歐姆曲線(xiàn)的斜率變得更陡，表明器件導電能力更強。施加的柵極電壓越高，MOSFET的RDS(on)就越小。在某些應用中，對MOSFET進(jìn)行柵控的是可以提供令人滿(mǎn)意的RDS(on)的電壓。額外的柵極電壓會(huì )因?C x Vgs x Vgs x f產(chǎn)生功耗，其中柵極電荷和N溝道場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)電路頻率在確定MOSFET技術(shù)的最終工作點(diǎn)和選用方面起著(zhù)重要作用。
MOSFET既可工作在第一象限，也可工作在第三象限。沒(méi)有施加柵-源極電壓時(shí)，寄生體二極管導通。當柵極沒(méi)有電壓時(shí)，流入漏極的電流類(lèi)似于典型的二極管曲線(xiàn)。
施加柵極電壓時(shí)，根據VGS的值會(huì )產(chǎn)生非線(xiàn)性曲線(xiàn)。當VGS超過(guò)10V時(shí)，N溝道MOSFET完全在第三象限歐姆區內工作。然而，當柵極電壓低于10V時(shí)，二極管電壓鉗位于各種漏極電流水平。在非線(xiàn)性曲線(xiàn)中見(jiàn)到的彎曲是二極管和歐姆區之間的轉變點(diǎn)。
在使用N溝道場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)電路或者馬達驅動(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。
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。
至于為什么不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問(wèn)底。
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N溝道場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)電路電源和馬達驅動(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。
導通的意思是作為N溝道場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)電路，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N溝道場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)電路頻率越快，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。
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。
MOS管的驅動(dòng)電路及其損失，可以參考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。講述得很詳細，所以不打算多寫(xiě)了。
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。
在使用MOSFET設計開(kāi)關(guān)電源時(shí)，大部分人都會(huì )考慮MOSFET的導通電阻、最大電壓、最大電流。但很多時(shí)候也僅僅考慮了這些因素，這樣的電路也許可以正常工作，但并不是一個(gè)好的設計方案。更細致的，MOSFET還應考慮本身寄生的參數。對一個(gè)確定的MOSFET，其驅動(dòng)電路，驅動(dòng)腳輸出的峰值電流，上升速率等，都會(huì )影響MOSFET的開(kāi)關(guān)性能。
當電源IC與MOS管選定之后， 選擇合適的驅動(dòng)電路來(lái)連接電源IC與MOS管就顯得尤其重要了。
MOSFET驅動(dòng)電路有以下幾點(diǎn)要求：
(1)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通瞬時(shí)，驅動(dòng)電路應能提供足夠大的充電電流使MOSFET柵源極間電壓迅速上升到所需值，保證開(kāi)關(guān)管能快速開(kāi)通且不存在上升沿的高頻振蕩。
(2)開(kāi)關(guān)導通期間驅動(dòng)電路能保證MOSFET柵源極間電壓保持穩定且可靠導通。
(3)關(guān)斷瞬間驅動(dòng)電路能提供一個(gè)盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓的快速泄放，保證開(kāi)關(guān)管能快速關(guān)斷。
(4)驅動(dòng)電路結構簡(jiǎn)單可靠、損耗小。
(5)根據情況施加隔離。
下面介紹幾個(gè)模塊電源中常用的MOSFET驅動(dòng)電路
圖 1 IC直接驅動(dòng)MOSFET
電源IC直接驅動(dòng)是我們最常用的驅動(dòng)方式，同時(shí)也是最簡(jiǎn)單的驅動(dòng)方式，使用這種驅動(dòng)方式，應該注意幾個(gè)參數以及這些參數的影響。第一，查看一下電源IC手冊，其最大驅動(dòng)峰值電流，因為不同芯片，驅動(dòng)能力很多時(shí)候是不一樣的。第二，了解一下MOSFET的寄生電容，如圖 1中C1、C2的值。如果C1、C2的值比較大，MOS管導通的需要的能量就比較大，如果電源IC沒(méi)有比較大的驅動(dòng)峰值電流，那么管子導通的速度就比較慢。如果驅動(dòng)能力不足，上升沿可能出現高頻振蕩，即使把圖 1中Rg減小，也不能解決問(wèn)題! IC驅動(dòng)能力、MOS寄生電容大小、N溝道場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)電路速度等因素，都影響驅動(dòng)電阻阻值的選擇，所以Rg并不能無(wú)限減小。
如果選擇MOS管寄生電容比較大，電源IC內部的驅動(dòng)能力又不足時(shí)，需要在驅動(dòng)電路上增強驅動(dòng)能力，常使用圖騰柱電路增加電源IC驅動(dòng)能力，其電路圖 2虛線(xiàn)框所示。
圖 2 圖騰柱驅動(dòng)MOS
這種驅動(dòng)電路作用在于，提升電流提供能力，迅速完成對于柵極輸入電容電荷的充電過(guò)程。這種拓撲增加了導通所需要的時(shí)間，但是減少了關(guān)斷時(shí)間，開(kāi)關(guān)管能快速開(kāi)通且避免上升沿的高頻振蕩。
圖 3 加速MOS關(guān)斷
關(guān)斷瞬間驅動(dòng)電路能提供一個(gè)盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓快速泄放，保證N溝道場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)電路管能快速關(guān)斷。為使柵源極間電容電壓的快速泄放，常在驅動(dòng)電阻上并聯(lián)一個(gè)電阻和一個(gè)二極管，如圖 3所示，其中D1常用的是快恢復二極管。這使關(guān)斷時(shí)間減小，同時(shí)減小關(guān)斷時(shí)的損耗。Rg2是防止關(guān)斷的時(shí)電流過(guò)大，把電源IC給燒掉。
圖 4 改進(jìn)型加速MOS關(guān)斷
在第二點(diǎn)介紹的圖騰柱電路也有加快關(guān)斷作用。當電源IC的驅動(dòng)能力足夠時(shí)，對圖 2中電路改進(jìn)可以加速MOS管關(guān)斷時(shí)間，得到如圖 4所示電路。用三極管來(lái)泄放柵源極間電容電壓是比較常見(jiàn)的。如果Q1的發(fā)射極沒(méi)有電阻，當PNP三極管導通時(shí)，柵源極間電容短接，達到最短時(shí)間內把電荷放完，最大限度減小關(guān)斷時(shí)的交叉損耗。與圖 3拓撲相比較，還有一個(gè)好處，就是柵源極間電容上的電荷泄放時(shí)電流不經(jīng)過(guò)電源IC，提高了可靠性。
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。
當源極輸出為高電壓的情況時(shí)，我們需要采用偏置電路達到電路工作的目的，既我們以源極為參考點(diǎn)，搭建偏置電路，驅動(dòng)電壓在兩個(gè)電壓之間波動(dòng)，驅動(dòng)電壓偏差由低電壓提供，如下圖6所示。
圖6 源極輸出為高電壓時(shí)的驅動(dòng)電路
除了以上驅動(dòng)電路之外，還有很多其它形式的驅動(dòng)電路。對于各種各樣的驅動(dòng)電路并沒(méi)有一種驅動(dòng)電路是最好的，只有結合具體應用，選擇最合適的驅動(dòng)。
(1)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通瞬時(shí),驅動(dòng)電路應能提供足夠大的充電電流使MOSFET柵源極間電壓迅速上升到所需值,保證開(kāi)關(guān)管能快速開(kāi)通且不存在上升沿的高頻振蕩;
(2)開(kāi)關(guān)管導通期間驅動(dòng)電路能保證MOSFET柵源極間電壓保持穩定使可靠導通;
(3)關(guān)斷瞬間驅動(dòng)電路能提供一個(gè)盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓的快速泄放,保證開(kāi)關(guān)管能快速關(guān)斷;
(4)關(guān)斷期間驅動(dòng)電路最好能提供一定的負電壓避免受到干擾產(chǎn)生誤導通;
(5)另外要求驅動(dòng)電路結構簡(jiǎn)單可靠,損耗小,最好有隔離。
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