《MOS管开关》.docx

MOS管开关现在常用的MOS管大多是N沟道增强型的了，一般一块钱左右的管子，源极电流可以达到近十安培而导通电阻仅在几毫欧另外现在的MOS管已经不像早期那样脆弱，因为SD上并联有可以承受几安培电流的反向保护二极管MOS管有几个重要的参数，Vgs，Vds,Id/Is以及Ron，其中对于Vgs也就是栅极控制电压有一些特殊的要求与用法，它就像三极管的Ibe，之所以称为Vgs就是因为这个电压必须相对于S级而言，也就是G极必须比S极高出一定的电压才能驱动MOS管，否则管子的导通电阻会很大，也就是管子不能导通比如Vgs耐压在12V左右的管子，当Vgs高于1.5V以上时就基本可以认为导通，一般4-5V就可以达到其最小Ron了但是，由于这个电压是基于S极的，所以对于电源一类的开关管应用场合（靠低压控制高压输入），必须想办法让Vgs高于Vs足够高（或者也可以让管子并联于电源，靠储能器件工作于高速开关状态），而为了简化电路一般都是在栅极上添加自举电路自举电路一般由一个电容和反向二极管组成，相当于给栅极增加了一个串联的电池自举电容根据使用情况的不同，可以选用极性电容，也可以选择非极性电容在选择这个电容时，如果电容很小，则电容储能不够，放电很快，开关管很难被有效打开或关闭；如果电容过大，也会导致开关速度受限，电路板面积也会增加。

所以，电容要根据开关管工作速度适当选取，一般将电容值选择在放电时间稍长与开关周期即可，具体的参数可以根据实验来确定相对与N沟道的MOS管，P沟道的管子在驱动起来就稍微容易一些，因为不必再去创造高于电源电压的驱动环境，使用一个简单的三极管调压电路就可以实现了使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，大部分人都会考虑MOS的导通电阻，最大电压等，最大电流等，也有很多人仅仅考虑这些因素这样的电路也许是可以工作的，但并不是优秀的，作为正式的产品设计也是不允许的       下面是我对MOSFET及MOSFET驱动电路基础的一点总结，其中参考了一些资料，非全部原创包括MOS管的介绍，特性，驱动以及应用电路 1，MOS管种类和结构      MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种       至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底       对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS原因是导通电阻小，且容易制造。

所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS下面的介绍中，也多以NMOS为主       MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍       在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的 2，MOS管导通特性       导通的意思是作为开关，相当于开关闭合       NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了       PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS 3，MOS开关管损失       不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。

选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有       MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，损失也越大       导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数这两种办法都可以减小开关损失 4，MOS管驱动       跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了这个很容易做到，但是，我们还需要速度       在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小       第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。

而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动MOS管       上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压，设计时当然需要有一定的余量而且电压越高，导通速度越快，导通电阻也越小现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里，但在12V汽车电子系统里，一般4V导通就够用了       MOS管的驱动电路及其损失，可以参考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs讲述得很详细，所以不打算多写了 5，MOS管应用电路       MOS管最显著的特性是开关特性好，所以被广泛应用在需要电子开关的电路中，常见的如开关电源和马达驱动，也有照明调光2008年07月14日 星期一 10:32一、静态特性    MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态由于MOS管是电压控制元件，所以主要由栅源电压uGS决定其工作状态   工作特性如下：    ※ uGS＜开启电压UT：MOS管工作在截止区，漏源电流iDS基本为0，输出电压uDS≈UDD，MOS管处于"断开"状态，其等效电路如图3.8(b)所示。

    ※ uGS＞开启电压UT：MOS管工作在导通区，漏源电流iDS=UDD/(RD+rDS)其中，rDS为MOS管导通时的漏源电阻输出电压UDS=UDD·rDS/(RD+rDS),如果rDS＜＜RD，则uDS≈0V，MOS管处于"接通"状态，其等效电路如图3.8(c)所示    二、动态特性   MOS管在导通与截止两种状态发生转换时同样存在过渡过程，但其动态特性主要取决于与电路有关的杂散电容充、放电所需的时间，而管子本身导通和截止时电荷积累和消散的时间是很小的图3.9(a)和(b)分别给出了一个NMOS管组成的电路及其动态特性示意图                                                                NMOS管动态特性示意图    当输入电压ui由高变低，MOS管由导通状态转换为截止状态时，电源UDD通过RD向杂散电容CL充电，充电时间常数τ1=RDCL所以，输出电压uo要通过一定延时才由低电平变为高电平；当输入电压ui由低变高，MOS管由截止状态转换为导通状态时，杂散电容CL上的电荷通过rDS进行放电，其放电时间常数τ2≈rDSCL。

可见，输出电压Uo也要经过一定延时才能转变成低电平但因为rDS比RD小得多，所以，由截止到导通的转换时间比由导通到截止的转换时间要短    由于MOS管导通时的漏源电阻rDS比晶体三极管的饱和电阻rCES要大得多，漏极外接电阻RD也比晶体管集电极电阻RC大，所以，MOS管的充、放电时间较长，使MOS管的开关速度比晶体三极管的开关速度低不过，在CMOS电路中，由于充电电路和放电电路都是低阻电路，因此，其充、放电过程都比较快，从而使CMOS电路有较高的开关速度MOSFET的输入阻抗很高，栅源的极间电容很小NMOS：高导通VGSPMOS：低导通VGS衬底一般跟源极连通，所以N沟道的P衬底跟S极连通，使用时让P衬底接低电位，N衬底接高电位才能导通无论是N还是P mos管在D--->S之间都有二极管，此二极管起保护作用MOS场效应管       MOS场效应管即金属-氧化物-半导体型场效应管，英文缩写为MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor），属于绝缘栅型其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻（最高可达1015Ω）。

它也分N沟道管和P沟道管，符号如图1所示通常是将衬底（基板）与源极S接在一起根据导电方式的不同，MOSFET又分增强型、耗尽型所谓增强型是指：当VGS=0时管子是呈截止状态，加上正确的VGS后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道耗尽型则是指，当VGS=0时即形成沟道，加上正确的VGS时，能使多数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止      以N沟道为例，它是在P型硅衬底上制成两个高掺杂浓度的源扩散区N+和漏扩散区N+，再分别引出源极S和漏极D源极与衬底在内部连通，二者总保持等电位图1（a）符号中的前头方向是从外向电，表示从P型材料（衬底）指身N型沟道当漏接电源正极，源极接电源负极并使VGS=0时，沟道电流（即漏极电流）ID=0随着VGS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，在两个扩散区之间就感应出带负电的少数载流子，形成从漏极到源极的N型沟道，当VGS大于管子的开启电压VTN（一般约为+2V）时，N沟道管开始导通，形成漏极电流ID    国产N沟道MOSFET的典型产品有3DO1、3DO2、3DO4（以上均为单栅管），4DO1（双栅管）它们的管脚排列（底视图）见图2。

    MOS场效应管比较“娇气”这是由于它的输入电阻很高，而栅-源极间电容又非常小，极易受外界电磁场或静电的感应而带电，而少量电荷就可在极间电容上形成相当高的电压（U=Q/C），将管子损坏因此了厂时各管脚都绞合在一起，或装在金属箔内，使G极与S极呈等电位，防止积累静电荷管子不用时，全部引线也应短接在测量时应格外小心，并采取相应的防静电感措施下面介绍检测方法    1．准备工作    测量之前，先把人体对地短路后，才能摸触MOSFET的管脚最好在手腕上接一条导线与大地连通，使人体与大地保持等电位再把管脚分开，然后拆掉导线    2．判定电极    将万用表拨于R×100档，首先确定栅极若某脚与其它脚的电阻都是无穷大，证明此脚就是栅极G交换表笔重测量，S-D之间的电阻值应为几百欧至几千欧，其中阻值较小的那一次，黑表笔接的为D极，红表笔接的是S极日本生产的3SK系列产品，S极与管壳接通，据此很容易确定S极    3．检查放大能力（跨导）    将G极悬空，黑表笔接D极，红表笔接S极，然后用手指触摸G极，表针应有较大的偏转双栅MOS场效应管有两个栅极G1、G2为区分之，可用手分别触摸G1、G2极，其中表针向左侧偏转幅度较大的为G2极。

     目前有的MOSFET管在G-S极间增加了保护二极管，平时就不需。