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CMOS的基礎知识

来源:http://www.ntweilai.com 更新:2013-11-03 10:36

MOS管介紹

在使用MOS管設計開關電源或者馬达驅动電路的時候,一般都要考慮MOS的導通電阻,最大電壓等,最大電流等因素。

MOSFET管是FET的一種,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,一般主要應用的为增強型的NMOS管和增強型的PMOS管,所以通常提到的就是这兩種。

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。

在MOS管内部,漏極和源極之間會寄生一個二極管。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,并且隻在單個的MOS管中存在此二極管,在集成電路芯片内部通常是沒有的。

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。

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,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。

MOS開關管損失

不管是NMOS還是PMOS,導通後都有導通電阻存在,因而在DS間流過電流的同時,兩端還會有電壓,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毫歐,幾十毫歐左右

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,而且開關頻率越快,導通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大。降低開關時間,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。

MOS管驅动

MOS管導通不需要電流,隻要GS電壓高于一定的值,就可以了。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。

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其他電壓,看手冊)。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。

Mosfet參數含義說明

Features:

Vds: DS擊穿電壓.當Vgs=0V時,MOS的DS所能承受的最大電壓

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.會随溫度的升高而降低

Vgs: 最大GS電壓.一般为:-20V~+20V

Idm: 最大脈沖DS電流.會随溫度的升高而降低,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,通常为150度和175度

Tstg: 最大存儲溫度

Iar: 雪崩電流

Ear: 重複雪崩擊穿能量

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驅动電流,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.