一、 一句話MOS管工作原理
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),只要柵極電壓達到一定電壓(如4V或10V, 其他電壓,看手冊)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。
二、
在使用MOS管設計開關電源或者馬達驅動電路的時候,大部分人都會考慮MOS的導通電阻,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,但并不是優秀的,作為正式的產品設計也是不允許的。
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。
至于為什么不使用耗盡型的MOS管,不建議刨根問底。
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。下面的介紹中,也多以NMOS為主。
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管原理圖上可以看到,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、繼電器),這個二極管很重要,用于保護回路。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。
2,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?,F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??s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。
3,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,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。
第二注意的是,普遍用于高端驅動的NMOS,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。
上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導通電壓,設計時當然需要有一定的余量。而且電壓越高,導通速度越快,導通電阻也越小。現在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領域里,但在12V汽車電子系統里,一般4V導通就夠用了。
MOS管的驅動電路及其損失,可以參考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。講述得很詳細,所以不打算多寫了。
5,MOS管應用電路
MOS管最顯著的特性是開關特性好,所以被廣泛應用在需要電子開關的電路中,常見的如開關電源和馬達驅動,也有照明調光。
參數含義:
Rds(on):DS的導通電阻.當Vgs=10V時,MOS的DS之間的電阻
Id: 最大DS電流.會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.會隨溫度的升高而降低,體現一個抗沖擊能力,跟脈沖時間也有關系
Pd: 最大耗散功率
Tj: 最大工作結溫,通常為150度和175度
Tstg: 最大存儲溫度
Iar: 雪崩電流
Ear: 重復雪崩擊穿能量
Eas: 單次脈沖雪崩擊穿能量
BVdss: DS擊穿電壓
Idss: 飽和DS電流,uA級的電流
Igss: GS驅動電流,nA級的電流.
gfs: 跨導
Qg: G總充電電量
Qgs: GS充電電量
Qgd: GD充電電量
Td(on): 導通延遲時間,從有輸入電壓上升到10%開始到Vds下降到其幅值90%的時間
Tr: 上升時間,輸出電壓 VDS 從 90% 下降到其幅值 10% 的時間
Td(off): 關斷延遲時間,輸入電壓下降到 90% 開始到 VDS 上升到其關斷電壓時 10% 的時間
Tf: 下降時間,輸出電壓 VDS 從 10% 上升到其幅值 90% 的時間 ( 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:
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 門源電壓這三種應用在各個領域都有詳細的介紹,這里暫時不多寫了。以后有時間再總結。
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