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詳解MOS管的使用

来源:http://www.ntweilai.com 更新:2013-11-02 12:02

在使用MOS管設計開關電源或者馬达驅动電路的時候,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这些因素。这樣的電路也許是可以工作的,但并不是優秀的,作为正式的産品設計也是不允許的。下面是我對MOSFET及MOSFET驅动電路基礎的一點總結,其中參考了一些资料,非全部原創。包括MOS管的介紹,特性,驅动以及應用電路。

一、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指的就是这兩種。至于为什麼不使用耗盡型的MOS管,不建議刨根問底。對于这兩種增強型MOS管,比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小,且容易制造。所以開關電源和馬达驅动的應用中,一般都用NMOS。下面的介紹中,也多以NMOS为主。MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在,这不是我們需要的,而是由于制造工藝限制産生的。寄生電容的存在使得在設計或選擇驅动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管原理圖上可以看到,漏極和源極之間有一個寄生二極管。这個叫體二極管,在驅动感性負載(如馬达),这個二極管很重要。順便說一句,體二極管隻在單個的MOS管中存在,在集成電路芯片内部通常是沒有的。

二、MOS管導通特性

導通的意思是作为開關,相當于開關閉合。NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會導通,适合用于源極接地時的情況(低端驅动),隻要栅極電壓达到4V或10V就可以了。PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會導通,适合用于源極接VCC時的情況(高端驅动)。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅动,但由于導通電阻大,价格貴,替換種類少等原因,在高端驅动中,通常還是使用NMOS。

三、MOS開關管損失

不管是NMOS還是PMOS,導通後都有導通電阻存在,这樣電流就會在这個電阻上消耗能量,这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。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,在这段時間内,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,而且開關頻率越高,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,可以減小單位時間内的開關次數。这兩種辦法都可以減小開關損失。

四、MOS管驅动

跟雙極性晶體管相比,一般認为使MOS管導通不需要電流,隻要GS電壓高于一定的值,就可以了。这個很容易做到,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管的驅动,實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流,因为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管驅动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,普遍用于高端驅动的NMOS,導通時需要是栅極電壓大于源極電壓。而高端驅动的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,所以这時栅極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統里,要得到比VCC大的電壓,就要专門的升壓電路了。很多馬达驅动器都集成了電荷泵,要注意的是應該選擇合适的外接電容,以得到足夠的短路電流去驅动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餘量。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管的驅动電路及其損失,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。