熟悉又陌生的MOS管開關(guan) 原理及基礎知識
本文來源：電源網，編輯：咩咩
MOS管可以說是工程師最熟悉的器件之一，不過MOS管我們(men) 天天見，但是不乏一些剛入行的工程師、甚至是少數行業(ye) 老手對於(yu) MOS管基礎理論的掌握不是很牢固，所以專(zhuan) 門寫(xie) 一篇文章為(wei) 大家總結一下MOS的開關(guan) 原理和基礎知識。
一般來說，普通用於(yu) 高端驅動的MOS，導通時需要是柵極電壓大於(yu) 源極電壓，而高端驅動的MOS管導通時源極電壓與(yu) 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(ge) 係統裏，要得到比VCC大的電壓，就要專(zhuan) 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，按理說隻要柵極電壓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(guan) 頻率較高時，柵對地或VCC可以看做是一個(ge) 電容，對於(yu) 一個(ge) 電容來說，串的電阻越大，柵極達到導通電壓時間越長，MOS處於(yu) 半導通狀態時間也越長，在半導通狀態內(nei) 阻較大，發熱也會(hui) 增大，極易損壞MOS，所以高頻時柵極串的電阻不但要小，一般要加前置驅動電路的。
下麵我們(men) 先來了解一下
MOS管開關(guan) 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)，可以被製造成增強型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實際應用的隻有增強型的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(liang) 種。
對於(yu) 這兩(liang) 種增強型MOS管，比較常用的是NMOS——原因是導通電阻小，且容易製造，所以開關(guan) 電源和馬達驅動的應用中，一般都用NMOS。
MOS管的三個(ge) 管腳之間有寄生電容存在，這不是我們(men) 需要的，而是由於(yu) 製造工藝限製生產(chan) 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，後邊再詳細介紹。
在MOS管的漏極和源極之間有一個(ge) 寄生二極管，這個(ge) 叫體(ti) 二極管，在驅動感性負載(如馬達)，這個(ge) 二極管很重要。順便說一句，體(ti) 二極管隻在單個(ge) 的MOS管中存在，在集成電路芯片內(nei) 部通常是沒有的。
No.2 MOS管導通特性
導通的意思是作為(wei) 開關(guan) ，相當於(yu) 開關(guan) 閉合。
NMOS的特性，Vgs大於(yu) 一定的值就會(hui) 導通，適合用於(yu) 源極接地時情況(低端驅動)，隻要柵極電壓達到4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs小於(yu) 一定的值就會(hui) 導通，適合用於(yu) 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，但由於(yu) 導通電阻大，價(jia) 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(guan) 管損失
不管是NMOS還是PMOS，導通後都有導通電阻存在，這樣電流就會(hui) 在這個(ge) 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(hui) 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(liang) 端的電壓有一個(ge) 下降的過程，流過的電流有一個(ge) 上升的過程，在這段時間內(nei) ，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關(guan) 損失。通常開關(guan) 損失大得多，而且開關(guan) 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(guan) 時間，可以減小每次導通時的損失；降低開關(guan) 頻率，可以減少單位時間內(nei) 的開關(guan) 次數。這兩(liang) 種辦法都可以減小開關(guan) 損失。
No.4 MOS管驅動
跟雙極性晶體(ti) 管相比，一般認為(wei) 使MOS管導通不需要電流，隻要GS電壓高於(yu) 一定的值，就可以了。這個(ge) 很容易做到，但是，我們(men) 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(ge) 電流，因為(wei) 對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會(hui) 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(wei) MOSFET有兩(liang) 大類型：N溝道和P溝道。在功率係統中，MOSFET可被看成電氣開關(guan) 。當在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時，其開關(guan) 導通。導通時，電流可經開關(guan) 從(cong) 漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個(ge) 內(nei) 阻，稱為(wei) 導通電阻RDS(ON)。
必須清楚MOSFET的柵極是個(ge) 高阻抗端，因此，總是要在柵極加上一個(ge) 電壓，這就是後麵介紹電路圖中柵極所接電阻至地。如果柵極為(wei) 懸空，器件將不能按設計意圖工作，並可能在不恰當的時刻導通或關(guan) 閉，導致係統產(chan) 生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為(wei) 零時，開關(guan) 關(guan) 閉，而電流停止通過器件。雖然這時器件已經關(guan) 閉，但仍然有微小電流存在，這稱之為(wei) 漏電流，即IDSS。
第一步：選用N溝道還是P溝道
為(wei) 設計選擇正確器件的第一步是決(jue) 定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應用中，當一個(ge) MOSFET接地，而負載連接到幹線電壓上時，該MOSFET就構成了低壓側(ce) 開關(guan) 。在低壓側(ce) 開關(guan) 中，應采用N溝道MOSFET，這是出於(yu) 對關(guan) 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(ce) 開關(guan) 。通常會(hui) 在這個(ge) 拓撲中采用P 溝道MOSFET，這也是出於(yu) 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(yu) 電壓的情況相似，設計人員必須確保所選的MOSFET能承受這個(ge) 額定電流，即使在係統產(chan) 生尖峰電流時。兩(liang) 個(ge) 考慮的電流情況是連續模式和脈衝(chong) 尖峰。
在連續導通模式下，MOSFET處於(yu) 穩態，此時電流連續通過器件。脈衝(chong) 尖峰是指有大量電湧(或尖峰電流)流過器件，一旦確定了這些條件下的最大電流，隻需直接選擇能承受這個(ge) 最大電流的器件便可。
選好額定電流後，還必須計算導通損耗。在實際情況下，MOSFET並不是理想的器件，因為(wei) 在導電過程中會(hui) 有電能損耗，這稱之為(wei) 導通損耗。MOSFET在“導通”時就像一個(ge) 可變電阻，由器件的RDS(ON)所確定，並隨溫度而顯著變化。
器件的功率損耗可由lload2 x RDS(ON)計算，由於(yu) 導通電阻隨溫度變化， 因此功率損耗也會(hui) 隨之按比例變化。對MOSFET施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會(hui) 越小，反之RDS(ON)就會(hui) 越高。
對係統設計人員來說，這就是取決(jue) 於(yu) 係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(wei) 普遍)，而對於(yu) 工業(ye) 設計，可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會(hui) 隨著電流輕微上升，關(guan) 於(yu) RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在製造商提供的技術資料表中查到。
第三步：確定熱要求
選擇MOSFET的下一步是計算係統的散熱要求。設計人員必須考慮兩(liang) 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(wei) 這個(ge) 結果提供更大的安全餘(yu) 量，能確保係統不會(hui) 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(ti) 結與(yu) 環境之間的熱阻，以及最大的結溫。
器件的結溫等於(yu) 最大環境溫度加上熱阻與(yu) 功率耗散的乘積(結溫=最大環境溫度+[熱阻x功率耗散])，根據這個(ge) 方程可解出係統的最大功率耗散，即按定義(yi) 相等於(yu) I2 x RDS(ON)。由於(yu) 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(ti) 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(hui) 立即升溫。
通常，一個(ge) PMOS管，會(hui) 有寄生的二極管存在，該二極管的作用是防止源漏端反接，對於(yu) PMOS而言，比起NMOS的優(you) 勢在於(yu) 它的開啟電壓可以為(wei) 0，而DS電壓之間電壓相差不大，而NMOS的導通條件要求VGS要大於(yu) 閥值，這將導致控製電壓必須大於(yu) 所需的電壓，會(hui) 出現不必要的麻煩。
選用PMOS作為(wei) 控製開關(guan) ，有下麵兩(liang) 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(guan) 閉，VBAT不提供電壓給VSIN，而當V8V為(wei) 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位低，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的作用在於(yu) 防止電壓的倒灌。D9可以省略。這裏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(guan) 管的功能不能達到，實際應用要注意。
2
來看這個(ge) 電路，控製信號PGC控製V4.2是否給P_GPRS供電。此電路中，源漏兩(liang) 端沒有接反，R110與(yu) R113存在的意義(yi) 在於(yu) R110控製柵極電流不至於(yu) 過大，R113控製柵極的常態，將R113上拉為(wei) 高，截至PMOS，同時也可以看作對控製信號的上拉。當MCU內(nei) 部管腳並沒有上拉時，即輸出為(wei) 開漏時，並不能驅動PMOS關(guan) 閉，此時，就需要外部電壓給予的上拉，所以電阻R113起到了兩(liang) 個(ge) 作用。R110可以更小，到100歐姆也可。
No.5 MOS管的開關(guan) 特性
靜態特性
MOS管作為(wei) 開關(guan) 元件，同樣是工作在截止或導通兩(liang) 種狀態。由於(yu) MOS管是電壓控製元件，所以主要由柵源電壓uGS決(jue) 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(wei) 0，輸出電壓uDS≈UDD，MOS管處於(yu) “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(wei) 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管處於(yu) “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(yu) 截止兩(liang) 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(jue) 於(yu) 與(yu) 電路有關(guan) 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(ge) 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(wei) 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 T1=RDCL，所以，輸出電壓uo要通過一定延時才由低電平變為(wei) 高電平。
當輸入電壓ui由低變高，MOS管由截止狀態轉換為(wei) 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 T2≈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(wei) 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。
由於(yu) MOS管導通時的漏源電阻rDS比晶體(ti) 三極管的飽和電阻rCES要大得多，漏極外接電阻RD也比晶體(ti) 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(guan) 速度比晶體(ti) 三極管的開關(guan) 速度低。不過，在CMOS電路中，由於(yu) 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(cong) 而使CMOS電路有較高的開關(guan) 速度。
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