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MOS管開關的基礎知識

日期:2020/5/26 9:41:58
摘要:什么是MOS管?它有什么作用?MOS管可以說是工程師最熟悉的器件之一,不過MOS管我們天天見,但是不乏一些剛入行的工程師、甚至是少數行業老手對于MOS的基礎理論的掌握不是很牢固,所以專門寫一篇文章為大家總結一下MOS的開關原理和基礎知識。

一般來說,普遍用于高端驅動的 MOS,導通時需要是柵極電壓大于源極電壓,而高端驅動的 MOS 管導通時源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,所以這時柵極電壓要比 VCC 大 4V 或 10V。如果在同一個系統里,要得到比 VCC 大的電壓,就要專門的升壓電路了。很多馬達驅動器都集成了電荷泵,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 MOS 管。

MOS 管是電壓驅動,按理說只要柵極電壓到到開啟電壓就能導通 DS,柵極串多大電阻均能導通。但如果要求開關頻率較高時,柵對地或 VCC 可以看做是一個電容,對于一個電容來說,串的電阻越大,柵極達到導通電壓時間越長,MOS 處于半導通狀態時間也越長,在半導通狀態內阻較大,發熱也會增大,極易損壞 MOS,所以高頻時柵極柵極串的電阻不但要小,一般要加前置驅動電路的。

下面我們先來了解一下

MOS 管開關的基礎知識

No.1 MOS 管種類和結構

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 種類型,但實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,所以開關電源和馬達驅動的應用中,一般都用 NMOS。

MOS 管的三個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生的。寄生電容的存在使得在設計或選擇驅動電路的時候要麻煩一些,但沒有辦法避免,后邊再詳細介紹。在 MOS 管的漏極和源極之間有一個寄生二極管,這個叫體二極管,在驅動感性負載(如馬達),這個二極管很重要。順便說一句,體二極管只在單個的 MOS 管中存在,在集成電路芯片內部通常是沒有的。

No.2 MOS 管導通特性

導通的意思是作為開關,相當于開關閉合。

NMOS 的特性,Vgs 大于一定的值就會導通,適合用于源極接地時的情況(低端驅動),只要柵極電壓達到 4V 或 10V 就可以了。PMOS 的特性,Vgs 小于一定的值就會導通,適合用于源極接 VCC 時的情況(高端驅動)。

但是,雖然 PMOS 可以很方便地用作高端驅動,但由于導通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅動中,通常還是使用 NMOS。

No.3 MOS 開關管損失

不管是 NMOS 還是 PMOS,導通后都有導通電阻存在,這樣電流就會在這個電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的 MOS 管會減小導通損耗。現在的小功率 MOS 管導通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有。

MOS 在導通和截止的時候,一定不是在瞬間完成的。MOS 兩端的電壓有一個下降的過程,流過的電流有一個上升的過程,在這段時間內,MOS 管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多,而且開關頻率越快,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。縮短開關時間,可以減小每次導通時的損失;降低開關頻率,可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。

No.4 MOS 管驅動

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,實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流,因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路,所以瞬間電流會比較大。選擇 / 設計 MOS 管驅動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。

而在進行 MOSFET 的選擇時,因為 MOSFET 有兩大類型:N 溝道和 P 溝道。在功率系統中,MOSFET 可被看成電氣開關。當在 N 溝道 MOSFET 的柵極和源極間加上正電壓時,其開關導通。導通時,電流可經開關從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內阻,稱為導通電阻 RDS(ON)。

必須清楚 MOSFET 的柵極是個高阻抗端,因此,總是要在柵極加上一個電壓,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刻導通或關閉,導致系統產生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時,開關關閉,而電流停止通過器件。雖然這時器件已經關閉,但仍然有微小電流存在,這稱之為漏電流,即 IDSS。

第一步:選用 N 溝道還是 P 溝道

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 MOSFET 接地,而負載連接到干線電壓上時,該 MOSFET 就構成了低壓側開關。在低壓側開關中,應采用 N 溝道 MOSFET,這是出于對關閉或導通器件所需電壓的考慮。

當 MOSFET 連接到總線及負載接地時,就要用高壓側開關。通常會在這個拓撲中采用 P 溝道 MOSFET,這也是出于對電壓驅動的考慮。

第二步:確定額定電流

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 能承受這個額定電流,即使在系統產生尖峰電流時。兩個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,此時電流連續通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件,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。在實際情況下,MOSFET 并不是理想的器件,因為在導電過程中會有電能損耗,這稱之為導通損耗。MOSFET 在“導通”時就像一個可變電阻,由器件的 RDS(ON)所確定,并隨溫度而顯著變化。

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,因此功率耗損也會隨之按比例變化。對 MOSFET 施加的電壓 VGS 越高,RDS(ON)就會越小,反之 RDS(ON)就會越高。

對系統設計人員來說,這就是取決于系統電壓而需要折中權衡的地方。對便攜式設計來說,采用較低的電壓比較容易(較為普遍),而對于工業設計,可采用較高的電壓。注意 RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升,關于 RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在制造商提供的技術資料表中查到。

第三步:確定熱要求

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,即最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結果,因為這個結果提供更大的安全余量,能確保系統不會失效。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境之間的熱阻,以及最大的結溫。

器件的結溫等于最大環境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結溫=最大環境溫度+[熱阻×功率耗散]),根據這個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,在處理簡單熱模型時,設計人員還必須考慮半導體結 / 器件外殼及外殼 / 環境的熱容量,即要求印刷電路板和封裝不會立即升溫。

通常,一個 PMOS 管,會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 的優勢在于它的開啟電壓可以為 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,會出現不必要的麻煩。

選用 PMOS 作為控制開關,有下面兩種應用:

1

由 PMOS 來進行電壓的選擇,當 V8V 存在時,此時電壓全部由 V8V 提供,將 PMOS 關閉,VBAT 不提供電壓給 VSIN,而當 V8V 為低時,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 的正常開啟,這也是前文所描述的柵極高阻抗所帶來的狀態隱患。D9 和 D10 的作用在于防止電壓的倒灌。D9 可以省略。這里要注意到實際上該電路的 DS 接反,這樣由附生二極管導通導致了開關管的功能不能達到,實際應用要注意。

2

來看這個電路,控制信號 PGC 控制 V4.2 是否給 P_GPRS 供電。此電路中,源漏兩端沒有接反,R110 與 R113 存在的意義在于 R110 控制柵極電流不至于過大,R113 控制柵極的常態,將 R113 上拉為高,截至 PMOS,同時也可以看作是對控制信號的上拉。當 MCU 內部管腳并沒有上拉時,即輸出為開漏時,并不能驅動 PMOS 關閉,此時,就需要外部電壓給予的上拉,所以電阻 R113 起到了兩個作用。R110 可以更小,到 100 歐姆也可。

No.5 MOS 管的開關特性

靜態特性

MOS 管作為開關元件,同樣是工作在截止或導通兩種狀態。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。

工作特性如下:

uGS 開啟電壓 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”狀態,其等效電路如下圖所示。

uGS>開啟電壓 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,其等效電路如上圖(c)所示。

動態特性

MOS 管在導通與截止兩種狀態發生轉換時同樣存在過渡過程,但其動態特性主要取決于與電路有關的雜散電容充、放電所需的時間,而管子本身導通和截止時電荷積累和消散的時間是很小的。下圖分別給出了一個 NMOS 管組成的電路及其動態特性示意圖。

NMOS 管動態特性示意圖

當輸入電壓 ui 由高變低,MOS 管由導通狀態轉換為截止狀態時,電源 UDD 通過 RD 向雜散電容 CL 充電,充電時間常數τ1=RDCL,所以,輸出電壓 uo 要通過一定延時才由低電平變為高電平。

當輸入電壓 ui 由低變高,MOS 管由截止狀態轉換為導通狀態時,雜散電容 CL 上的電荷通過 rDS 進行放電,其放電時間常數τ2≈rDSCL。可見,輸出電壓 Uo 也要經過一定延時才能轉變成低電平。但因為 rDS 比 RD 小得多,所以,由截止到導通的轉換時間比由導通到截止的轉換時間要短。

由于 MOS 管導通時的漏源電阻 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、放電時間較長,使 MOS 管的開關速度比晶體三極管的開關速度低。不過,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、放電過程都比較快,從而使 CMOS 電路有較高的開關速度。以上就是MOS管的原理解析,希望能給大家幫助。

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