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      6. MOS管原理用法詳情介紹
        • 發(fā)布時(shí)間:2021-09-10 18:58:51
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        MOS管原理用法詳情介紹
        MOS管原理
        一、 一句話(huà)MOS管工作原理
        NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通,適合用于源極接地時(shí)的情況(低端驅(qū)動(dòng)),只要柵極電壓達(dá)到一定電壓(如4V或10V, 其他電壓,看手冊(cè))就可以了。
        PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通,適合用于源極接VCC時(shí)的情況(高端驅(qū)動(dòng))。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng),但由于導(dǎo)通電阻大,價(jià)格貴,替換種類(lèi)少等原因,在高端驅(qū)動(dòng)中,通常還是使用NMOS。
        二、
        在使用MOS管設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源或者馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候,大部分人都會(huì)考慮MOS的導(dǎo)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(shè)計(jì)也是不允許的。
        1,MOS管種類(lèi)和結(jié)構(gòu)
        MOSFET管是FET的一種(另一種是JFET),可以被制造成增強(qiáng)型或耗盡型,P溝道或N溝道共4種類(lèi)型,但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)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(duì)于這兩種增強(qiáng)型MOS管,比較常用的是NMOS。原因是導(dǎo)通電阻小,且容易制造。所以開(kāi)關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)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(shè)計(jì)或選擇驅(qū)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(xì)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(qū)動(dòng)感性負(fù)載(如馬達(dá)、繼電器),這個(gè)二極管很重要,用于保護(hù)回路。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(nèi)部通常是沒(méi)有的。
        2,MOS開(kāi)關(guān)管損失
        不管是NMOS還是PMOS,導(dǎo)通后都有導(dǎo)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(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗。現(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有。
        MOS在導(dǎo)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(nèi),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(dǎo)通損失大得多,而且開(kāi)關(guān)頻率越快,損失也越大。
        導(dǎo)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(kāi)關(guān)時(shí)間,可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失;降低開(kāi)關(guān)頻率,可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。
        3,MOS管驅(qū)動(dòng)
        跟雙極性晶體管相比,一般認(rèn)為使MOS管導(dǎo)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(jié)構(gòu)中可以看到,在GS,GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅(qū)動(dòng),實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流,因?yàn)閷?duì)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(shè)計(jì)MOS管驅(qū)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(qū)動(dòng)的NMOS,導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)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(tǒng)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(dá)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵,要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容,以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng)MOS管。
        上邊說(shuō)的4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓,設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)然需要有一定的余量。而且電壓越高,導(dǎo)通速度越快,導(dǎo)通電阻也越小。現(xiàn)在也有導(dǎo)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(tǒng)里,一般4V導(dǎo)通就夠用了。
        MOS管的驅(qū)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(xì),所以不打算多寫(xiě)了。
        5,MOS管應(yīng)用電路
        MOS管最顯著的特性是開(kāi)關(guān)特性好,所以被廣泛應(yīng)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(dá)驅(qū)動(dòng),也有照明調(diào)光。
        參數(shù)含義:
        Rds(on):DS的導(dǎo)通電阻.當(dāng)Vgs=10V時(shí),MOS的DS之間的電阻
        Id:     最大DS電流.會(huì)隨溫度的升高而降低
        Vgs:     最大GS電壓.一般為:-20V~+20V
        Idm:     最大脈沖DS電流.會(huì)隨溫度的升高而降低,體現(xiàn)一個(gè)抗沖擊能力,跟脈沖時(shí)間也有關(guān)系
        Pd:      最大耗散功率
        Tj:      最大工作結(jié)溫,通常為150度和175度
        Tstg:    最大存儲(chǔ)溫度
        Iar:     雪崩電流
        Ear:     重復(fù)雪崩擊穿能量
        Eas:     單次脈沖雪崩擊穿能量
        BVdss:  DS擊穿電壓
        Idss:    飽和DS電流,uA級(jí)的電流
        Igss:    GS驅(qū)動(dòng)電流,nA級(jí)的電流.
        gfs:     跨導(dǎo)
        Qg:      G總充電電量
        Qgs:     GS充電電量 
        Qgd:     GD充電電量
        Td(on):  導(dǎo)通延遲時(shí)間,從有輸入電壓上升到10%開(kāi)始到Vds下降到其幅值90%的時(shí)間
        Tr:      上升時(shí)間,輸出電壓 VDS 從 90% 下降到其幅值 10% 的時(shí)間
        Td(off): 關(guān)斷延遲時(shí)間,輸入電壓下降到 90% 開(kāi)始到 VDS 上升到其關(guān)斷電壓時(shí) 10% 的時(shí)間
        Tf:      下降時(shí)間,輸出電壓 VDS 從 10% 上升到其幅值 90% 的時(shí)間 ( 參考圖 4) 。 
        Ciss:    輸入電容,Ciss=Cgd + Cgs.
        Coss:    輸出電容,Coss=Cds +Cgd. 
        Crss:    反向傳輸電容,Crss=Cgc.
        總結(jié):
        N溝道的電源一般接在D,輸出S,P溝道的電源一般接在S,輸出D。
        增強(qiáng)耗盡接法基本一樣。
        P是指P溝道,N是指N溝道。
        G:gate 柵極
        S:source 源極
        D:drain 漏極
        以RJK0822SPN的POWER MOS為例:
         Drain to source voltage:VDSS漏源極電壓80V
        Gate to source voltage:VGSS ±20   門(mén)源電壓這三種應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域都有詳細(xì)的介紹,這里暫時(shí)不多寫(xiě)了。以后有時(shí)間再總結(jié)。
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