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MOS管知识概述-MOS开关管选择方法与步骤详解 原理应用-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-01-24 

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MOS開關管,MOS管

MOS管概述

本文主要講述MOS開關管的選擇及原理應用,mos管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導體(semiconductor)場效應晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)、半導體。MOS管的source和drain是可以對調的,他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下,這個兩個區是一樣的,即使兩端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認爲是對稱的。


一般情況下普遍用于高端驅動的MOS,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。如果在同一個系統裏,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。


MOS管是電壓驅動,按理說只要柵極電壓到到開啓電壓就能導通DS,柵極串多大電阻均能導通。但如果要求開關頻率較高時,柵對地或VCC可以看做是一個電容,對于一個電容來說,串的電阻越大,柵極達到導通電壓時間越長,MOS處于半導通狀態時間也越長,在半導通狀態內阻較大,發熱也會增大,極易損壞MOS,所以高頻時柵極柵極串的電阻不但要小,一般要加前置驅動電路的。


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。

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。


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産生的。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,後邊再詳細介紹。


在MOS管的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),這個二極管很重要。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。


MOS管導通特性

導通的意思是作爲開關,相當于開關閉合。


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4V或10V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。


MOS管驅動

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。在MOS管的结构中可以看到,在GS和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管驅動时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。


而在進行MOSFET的選擇時,因爲MOSFET有兩大類型:N溝道和P溝道。在功率系統中,MOSFET可被看成電氣開關。當在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時,其開關導通。導通時,電流可經開關從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內阻,稱爲導通電阻RDS(ON)。


必須清楚MOSFET的柵極是個高阻抗端,因此,總是要在柵極加上一個電壓,這就是後面介紹電路圖中柵極所接電阻至地。如果柵極爲懸空,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閉,導致系統産生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓爲零時,開關關閉,而電流停止通過器件。雖然這時器件已經關閉,但仍然有微小電流存在,這稱之爲漏電流,即IDSS。

MOS開關管,MOS管


MOS開關管損失

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。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。縮短開關時間,可以減小每次導通時的損失;降低開關頻率,可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。


MOS開關管的選擇方法與步驟

第一步:選用N溝道還是P溝道

爲設計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應用中,當一個MOSFET接地,而負載連接到幹線電壓上時,該MOSFET就構成了低壓側開關。在低壓側開關中,應采用N溝道MOSFET,這是出于對關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,就要用高壓側開關。通常會在這個拓撲中采用P溝道MOSFET,這也是出于對電壓驅動的考慮。


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。與電壓的情況相似,設計人員必須確保所選的MOSFET能承受這個額定電流,即使在系統産生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續模式和脈沖尖峰。


在連續導通模式下,MOSFET處于穩態,此時電流連續通過器件。脈沖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,只需直接選擇能承受這個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,因爲在導電過程中會有電能損耗,這稱之爲導通損耗。MOSFET在“導通”時就像一個可變電阻,由器件的RDS(ON)所確定,並隨溫度而顯著變化。


器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算,由于導通電阻隨溫度變化,因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOSFET施加的電壓VGS越高,RDS(ON)就會越小,反之RDS(ON)就會越高。


對系統設計人員來說,這就是取決于系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(較爲普遍),而對于工業設計,可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升,關于RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在制造商提供的技術資料表中查到。


第三步:確定熱要求

選擇MOSFET的下一步是計算系統的散熱要求。設計人員必須考慮兩種不同的情況,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,因爲這個結果提供更大的安全余量,能確保系統不會失效。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結與環境之間的熱阻,以及最大的結溫。


器件的結溫等于最大環境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結溫=最大環境溫度+[熱阻×功率耗散]),根據這個方程可解出系統的最大功率耗散,即按定義相等于I2×RDS(ON)。由于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立即升溫。


通常,一個PMOS管,會有寄生的二極管存在,該二極管的作用是防止源漏端反接,對于PMOS而言,比起NMOS的優勢在于它的開啓電壓可以爲0,而DS電壓之間電壓相差不大,而NMOS的導通條件要求VGS要大于阈值,這將導致控制電壓必然大于所需的電壓,會出現不必要的麻煩。


選用PMOS作爲控制開關的兩種應用

MOS開關管,MOS管


(一)

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關閉,VBAT不提供電壓給VSIN,而當V8V爲低時,VSIN由8V供電。注意R120的接地,該電阻能將柵極電壓穩定地拉低,確保PMOS的正常開啓,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的作用在于防止電壓的倒灌。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管的功能不能達到,實際應用要注意。


(二)

MOS開關管,MOS管

來看這個電路,控制信號PGC控制V4.2是否給P_GPRS供電。此電路中,源漏兩端沒有接反,R110與R113存在的意義在于R110控制柵極電流不至于過大,R113控制柵極的常態,將R113上拉爲高,截至PMOS,同時也可以看作是對控制信號的上拉。當MCU內部管腳並沒有上拉時,即輸出爲開漏時,並不能驅動PMOS關閉,此時,就需要外部電壓給予的上拉,所以電阻R113起到了兩個作用。R110可以更小,到100歐姆也可。


MOS管的開關特性

靜態特性

MOS管作爲開關元件,同樣是工作在截止或導通兩種狀態。由于MOS管是電壓控制元件,所以主要由柵源電壓uGS決定其工作狀態。


工作特性如下:

uGS開啓電壓UT:MOS管工作在截止區,漏源電流iDS基本爲0,輸出電壓uDS≈UDD,MOS管處于“斷開”狀態,其等效電路如下圖所示。

MOS開關管,MOS管


uGS>開啓電壓UT:MOS管工作在導通區,漏源電流iDS=UDD/(RD+rDS)。其中,rDS爲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管處于“接通”狀態,其等效電路如上圖(c)所示。


動態特性

MOS管在导通与截止两种状态发生转换时同样存在过渡过程,但其動態特性主要取决于与电路有关的杂散电容充、放电所需的时间,而管子本身导通和截止时电荷积累和消散的时间是很小的。下图分别给出了一个NMOS管组成的电路及其動態特性示意图。

MOS開關管,MOS管


當輸入電壓ui由高變低,MOS管由導通狀態轉換爲截止狀態時,電源UDD通過RD向雜散電容CL充電,充電時間常數τ1=RDCL,所以,輸出電壓uo要通過一定延時才由低電平變爲高電平。


當輸入電壓ui由低變高,MOS管由截止狀態轉換爲導通狀態時,雜散電容CL上的電荷通過rDS進行放電,其放電時間常數τ2≈rDSCL。可見,輸出電壓Uo也要經過一定延時才能轉變成低電平。但因爲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。


由于MOS管導通時的漏源電阻rDS比晶體三極管的飽和電阻rCES要大得多,漏極外接電阻RD也比晶體管集電極電阻RC大,所以,MOS管的充、放電時間較長,使MOS管的開關速度比晶體三極管的開關速度低。不過,在CMOS電路中,由于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,從而使CMOS電路有較高的開關速度。


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