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MOS管电路工作原理详解

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发表于 2019-2-21 15:44:56 | 显示全部楼层 |阅读模式
  1,MOS管种类和结构
5 I' q3 q9 U! M0 l  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管型号和增强型的P沟道MOS管型号,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,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。
; u! Q) G9 V5 O4 O+ a  2,MOS管导通特性  V" N) V/ v  f0 l5 t* e7 Y- A
  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。+ a2 k2 s  @0 {2 f! K7 a# O
  3,MOS开关管损失
) u7 \( B8 w" X$ }3 J  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 n% p- H' }9 y  @
3 h) u' j$ i6 X+ g8 }

) M# {3 ~! l) j  h9 E  }  4,MOS管驱动. I$ f6 o# ^7 x1 ~' |6 Q: b
  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。7 ~5 v3 t5 h- T' I, b& c! H6 z: x; R! {
  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。: k  S  a0 k2 \7 N, Z9 o3 e
  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。0 s' N& Z* Q; t7 {
  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。$ [& H; z. [- {) x3 J- N
  5,MOS管应用电路
; U, {% O3 n' t/ q- F  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,也有照明调光。  W0 M0 L( {# W8 e2 {1 c  I2 W9 n
  现在的MOS驱动,有几个特别的需求。1,低压应用当使用5V电源,这时候如果使用传统的图腾柱结构,由于三极管的be有0.7V左右的压降,导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V。这时候,我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。 同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。
: Q2 N8 `- b. _, W* T, g" m7 N% r* O" S5 s6 X
  MOS管IRF9640PBF http://www.dzsc.com/ic-detail/9_1507.html的参数$ f+ r( @3 a' T1 H1 `* t) K
  品牌:IR/ON/INFINEON, Y; G  c: a! ]* B0 f
  型号:IRF9640PBF,IRF9510STRL,IRF3710PBF种类:绝缘栅(MOSFET)
. L$ a6 _$ @  U# X  沟道类型:N沟道+ P. Q9 t2 W8 q' V' P
  导电方式:耗尽型- \  D  P. P1 b8 y
  用途:A/宽频带放大
# D9 W- Z5 W3 f- _, T  封装外形:CER-DIP/陶瓷直插6 d* h4 L! B, T0 R
  材料:GE-N-FET锗N沟道. j9 \) k4 T! K

. h# S/ Z& l1 b' }6 r6 {4 O# Z
8 w7 u" @8 D7 u, M6 Z! \; c% e

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