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      6. MOS管的種類,結構及導通特性解析
        • 發布時間:2024-07-27 17:28:16
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        MOS管的種類,結構及導通特性解析
        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。
        MOS管是電壓驅動,按理說只要柵極電壓到到開啟電壓就能導通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,所以高頻時柵極串的電阻不但要小,一般是需要加前置驅動電路的。
        1MOS管種類和結構
        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,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。
        一般在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),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。
        2MOS管導通特性
        導通的意思是作為開關,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。
        3MOS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,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。
        4MOS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。
        而在進行MOSFET的選擇時,因為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,稱為導通電阻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。
        這就是后面介紹電路圖中柵極所接電阻至地,如果柵極為懸空,器件將不能按設計意圖工作,并可能在不恰當的時刻導通或關閉,導致系統產生潛在的功率損耗。
        當源極和柵極間的電壓為零時開關關閉,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,這稱之為漏電流,即IDSS.
        MOS管種類 結構 導通特性
        01選用N溝道還是P溝道
        為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,而負載連接到干線電壓上時,該MOSFET就構成了低壓側開關。
        在低壓側開關中,應采用N溝道MOS,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。
        02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,即使在系統產生尖峰電流時,兩個考慮的電流情況是連續模式和脈沖尖峰,該參數以FDN304P管DATASHEET為參考,參數如圖所示:
        MOS管種類 結構 導通特性
        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涌(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。
        選好額定電流后,還必須計算導通損耗,在實際情況下MOSFET并不是理想的器件,因為在導電過程中會有電能損耗,這稱之為導通損耗。
        MOSFET在導通時就像一個可變電阻,由器件的RDS(ON)所確定,并隨溫度而顯著變化。
        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(較為普遍),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。
        MOS管種類 結構 導通特性
        03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,因為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。
        MOS管種類 結構 導通特性
        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的優勢在于它的開啟電壓可以為0。
        而DS電壓之間電壓相差不大,而NMOS的導通條件要求VGS要大于閾值,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作為控制開關,有下面兩種應用:
        MOS管種類 結構 導通特性
        第一種應用是由PMOS來進行電壓選擇,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為低時,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能夠正常開啟,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,這里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。
        MOS管種類 結構 導通特性
        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上拉為高,截至PMOS,同時也可以看作是對控制信號的上拉。
        當MCU內部管腳并沒有上拉時,即輸出為開漏時,并不能驅動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。
        5MOS管的開關特性
        01靜態特性
        MOS管作為開關元件,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開啟電壓UT:MOS管工作在截止區,漏源電流iDS基本為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管種類 結構 導通特性
        uGS>開啟電壓UT:MOS管工作在導通區,漏源電流:
        iDS=UDD/(RD+rDS)
        其中,rDS為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。
        02動態特性
        MOS管在導通與截止兩種狀態發生轉換時同樣存在過渡過程,但其動態特性主要取決于與電路有關的雜散電容充、放電所需的時間,而管子本身導通和截止時電荷積累和消散的時間是很小的。
        下圖 (a)和(b)分別給出了一個NMOS管組成的電路及其動態特性示意圖。
        MOS管種類 結構 導通特性
        NMOS管動態特性示意圖
        當輸入電壓ui由高變低,MOS管由導通狀態轉換為截止狀態時,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為高電平。
        當輸入電壓ui由低變高,MOS管由截止狀態轉換為導通狀態時,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。
        但因為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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