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  • MOS管開關(guān)電路圖,MOS管開關(guān)電路設(shè)計介紹
    • 發(fā)布時間:2024-07-23 17:42:27
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    MOS管開關(guān)電路圖,MOS管開關(guān)電路設(shè)計介紹
    在設(shè)計MOS管開關(guān)電路時,就要充分了解MOS管的工作原理。下面咱們來詳細(xì)說明。
    MOS管的工作區(qū)域
    MOS管有三個工作區(qū)域:
    截止區(qū)域
    線性(歐姆)區(qū)域
    飽和區(qū)域
    當(dāng) VGS < VTH時,MOS管工作在截止區(qū)域。在該區(qū)域中,MOS管處于關(guān)斷狀態(tài),因為在漏極和源極之間沒有感應(yīng)溝道。
    對于要感應(yīng)的溝道和MOS管在線性或飽和區(qū)工作,VGS > VTH。
    柵極 - 漏極偏置電壓 VGD將決定MOS管是處于線性區(qū)還是飽和區(qū)。在這兩個區(qū)域中,MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài),但差異在線性區(qū)域,溝道是連續(xù)的,漏極電流與溝道電阻成正比。進(jìn)入飽和區(qū),當(dāng) VDS > VGS – VTH時,通道夾斷,即它變寬導(dǎo)致恒定的漏極電流。
    電子開關(guān)
    半導(dǎo)體開關(guān)是電子電路中的重要方面之一。像 BJT 或MOS管 之類的半導(dǎo)體器件通常作為開關(guān)操作,即它們要么處于 ON 狀態(tài),要么處于 OFF 狀態(tài)。
    理想的開關(guān)特性
    對于像MOS管這樣的半導(dǎo)體器件,要充當(dāng)理想的開關(guān),它必須具有以下特性:
    在 ON 狀態(tài)下,它可以承載的電流量不應(yīng)有任何限制。
    在關(guān)閉狀態(tài)下,阻斷電壓不應(yīng)有任何限制。
    當(dāng)器件處于 ON 狀態(tài)時,應(yīng)有零壓降。
    關(guān)態(tài)電阻應(yīng)該是無限大的。
    設(shè)備的運行速度沒有限制。
    MOS管開關(guān)電路
    理想的開關(guān)特性圖
    實用開關(guān)特性
    但半導(dǎo)體開關(guān)并不是我們想的那么理想。在實際情況中,像MOS管這樣的半導(dǎo)體器件具有以下特性。
    在開啟狀態(tài)期間,功率處理能力是有限的,即有限的傳導(dǎo)電流。關(guān)斷狀態(tài)期間的阻斷電壓也受到限制。
    有限的開啟和關(guān)閉時間,這限制了開關(guān)速度。最大工作頻率也受到限制。
    當(dāng)器件開啟時,將存在一個有限的導(dǎo)通狀態(tài)電阻,從而導(dǎo)致正向壓降。還會有一個有限的關(guān)閉狀態(tài)電阻,這會導(dǎo)致反向漏電流。
    實際的開關(guān)在開啟狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)以及過渡狀態(tài)(從開啟到關(guān)閉或從關(guān)閉到開啟)期間都會經(jīng)歷斷電。
    MOS管開關(guān)電路
    實用開關(guān)特性圖
    MOS開關(guān)電路實例1
    在下圖所示的電路中,增強(qiáng)型 N 溝道MOS管用于切換簡單的燈“ON”和“OFF”(也可以是 LED)。
    柵極輸入電壓VGS被帶到適當(dāng)?shù)恼妷弘娖揭源蜷_器件,因此燈負(fù)載要么“打開”,(VGS= +ve),要么處于將器件“關(guān)閉”的零電壓電平,(VGS = 0V)。
    如果燈的電阻負(fù)載要由電感負(fù)載(如線圈、螺線管或繼電器)代替,則需要與負(fù)載并聯(lián)一個“續(xù)流二極管”,以保護(hù)MOS管免受任何自生反電動勢的影響。
    MOS管開關(guān)電路
    MOS開關(guān)電路
    上面顯示了一個非常簡單的電路,用于切換電阻負(fù)載,例如燈或 LED。但是,當(dāng)使用功率MOS管切換感性或容性負(fù)載時,需要某種形式的保護(hù)來防止MOS管器件受損。驅(qū)動感性負(fù)載與驅(qū)動容性負(fù)載的效果相反。
    例如,沒有電荷的電容是短路的,導(dǎo)致高“涌入”電流,當(dāng)我們從感性負(fù)載上移除電壓時,隨著磁場崩潰,我們會產(chǎn)生很大的反向電壓,從而導(dǎo)致感應(yīng)繞組中的感應(yīng)反電動勢。
    MOS開關(guān)電路功耗計算
    我們假設(shè)燈的額定電壓為 6v、24W 并且完全“開啟”,標(biāo)準(zhǔn)MOS管的通道導(dǎo)通電阻 ( RDS(on) ) 值為 0.1ohms。計算MOS管開關(guān)器件的功耗。
    流過燈的電流計算如下:
    MOS管開關(guān)電路
    MOS開關(guān)電路電流計算公式
    那么MOS管中消耗的功率將為:
    MOS管開關(guān)電路
    MOS管開關(guān)電路功耗計算公式
    P溝道MOS管開關(guān)電路實例
    在上圖我們將 N 溝道 MOS管視為開關(guān),MOS管放置在負(fù)載和地之間。這也允許 MOS管的柵極驅(qū)動或開關(guān)信號以地為參考(低側(cè)開關(guān))。但在某些應(yīng)用中,如果負(fù)載直接接地,我們需要使用 P 溝道增強(qiáng)型 MOS管。如下圖所示。
    MOS管開關(guān)電路
    P溝道MOS管開關(guān)電路
    在這種情況下,MOS管開關(guān)連接在負(fù)載和正電源軌(高端開關(guān))之間,就像我們使用 PNP 晶體管一樣。
    在 P 溝道器件中,漏極電流的常規(guī)流動方向為負(fù)方向,因此施加負(fù)柵源電壓以將晶體管“導(dǎo)通”。
    這是因為 P 溝道MOS管是“倒置”的,其源極端子連接到正電源+VDD。然后,當(dāng)開關(guān)變?yōu)榈碗娖綍r,MOS管變?yōu)?ldquo;ON”,當(dāng)開關(guān)變?yōu)楦唠娖綍r,MOS管變?yōu)?ldquo;OFF”。
    P 溝道增強(qiáng)型MOS管開關(guān)的這種倒置連接允許我們將其與 N 溝道增強(qiáng)型 MOS管串聯(lián)連接,以產(chǎn)生互補(bǔ)或 CMOS 開關(guān)器件,如上圖所示為跨雙電源。
    MOS開關(guān)電路實例2
    了解了MOS管的工作原理及其工作區(qū)域,就很容易知道MOS管是如何作為開關(guān)工作的。通過考慮一個簡單的示例電路,將了解 MOS管作為開關(guān)的操作。
    MOS管開關(guān)電路
    MOS開關(guān)電路圖
    這是一個簡單的電路,其中 N 溝道增強(qiáng)模式MOS管將打開或關(guān)閉燈。為了將MOS管用作開關(guān),它必須工作在截止和線性(或三極管)區(qū)域。
    假設(shè)設(shè)備最初是關(guān)閉的。柵極和源極之間的電壓,即 VGS適當(dāng)?shù)卦O(shè)為正值(從技術(shù)上講,VGS > VTH),MOSFET 進(jìn)入線性區(qū)域并且開關(guān)導(dǎo)通。這使燈打開。
    如果輸入柵極電壓為 0V(或技術(shù)上 < VTH),則MOS管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)并關(guān)閉。這反過來會使燈關(guān)閉。
    MOS開關(guān)電路實例3
    考慮一種情況,如果你想使用微控制器對 12W LED (12V @ 1A) 進(jìn)行數(shù)字控制。當(dāng)你按下連接到微控制器的按鈕時,LED 應(yīng)打開。當(dāng)你再次按下相同的按鈕時,LED 應(yīng)熄滅。
    很明顯,你不能在微控制器的幫助下直接控制 LED。這個時候你就需要一種設(shè)備來彌合微控制器和 LED 之間的差距。
    該設(shè)備應(yīng)從微控制器接收控制信號(通常該信號的電壓在微控制器的工作電壓范圍內(nèi),例如 5V)并為 LED 供電,在這種情況下來自 12V 電源。
    而這個設(shè)備是MOS管,上述場景的設(shè)置如下電路所示。
    MOS管開關(guān)電路
    MOS開關(guān)電路圖
    當(dāng)邏輯 1(假設(shè)為 5V 微控制器,邏輯 1 為 5V,邏輯 0 為 0V)提供給MOS管的柵極時,它打開并允許漏極電流流動。結(jié)果,LED 亮起。
    類似地,當(dāng) MOS管的柵極為邏輯 0 時,它會關(guān)閉,進(jìn)而關(guān)閉 LED。
    因此,你可以通過微控制器和MOS管的組合對大功率設(shè)備進(jìn)行數(shù)字控制。
    MOS管開關(guān)電路需要注意的因素---MOS管的功耗
    需要考慮的一個重要因素是MOS管的功耗??紤]一個漏源電阻為 0.1Ω 的MOS管。在上述情況下,即由 12V 電源驅(qū)動的 12W LED 將導(dǎo)致 1A 的漏極電流。
    因此,MOS管消耗的功率為 P = I 2 * R = 1 * 0.1 = 0.1W。
    這看起來是一個比較低的值,但如果你使用相同的 MOS管驅(qū)動電機(jī),情況會略有不同。電機(jī)的啟動電流(也稱為浪涌電流)會非常高。
    MOS管開關(guān)電路
    MOS管驅(qū)動電路圖
    因此,即使 RDS 為 0.1Ω,電機(jī)啟動期間消耗的功率仍會非常高,這可能會導(dǎo)致熱過載。因此,RDS將是你的應(yīng)用選擇 MOS管的關(guān)鍵參數(shù)。
    此外,在驅(qū)動電機(jī)時,反電動勢是設(shè)計電路時必須考慮的重要因素。
    使用MOS管驅(qū)動電機(jī)的主要優(yōu)點之一是輸入 PWM 信號可用于平滑控制電機(jī)的速度。
    MOS開關(guān)電路實例4
    下圖顯示了一個使用 n 溝道增強(qiáng)型MOS管作為開關(guān)的簡單電路。此處,MOS管的漏極端子 (D)通過漏極電阻RD連接到電源電壓 VS  ,而其源極端子 (S) 接地。此外,它在其柵極端子 (G) 處施加輸入電壓Vi ,而輸出 Vo從其漏極汲取。
    MOS管開關(guān)電路
    MOS開關(guān)電路圖
    現(xiàn)在考慮施加的Vi為 0V 的情況,這意味著MOS管的柵極端子未偏置。因此,MOS管將關(guān)閉并在其截止區(qū)域中工作,在該區(qū)域中,它為電流提供了一個高阻抗路徑,這使得 IDS幾乎等于零。
    結(jié)果,即使RD上的電壓降也將變?yōu)榱?,因此輸出電壓Vo將變得幾乎等于VS。接下來,考慮施加的輸入電壓Vi大于器件的閾值電壓VT的情況。在這種情況下,MOS管將開始導(dǎo)通.
    如果 V提供的S大于器件的夾斷電壓 VP(通常會如此),則MOS管開始在其飽和區(qū)工作。這進(jìn)一步意味著該器件將為恒定 IDS的流動提供低電阻路徑,幾乎就像短路一樣。結(jié)果,輸出電壓將被拉向低電壓電平,理想情況下為零。
    從上面的分析可以看出,輸出電壓在 VS和零之間變化,這取決于所提供的輸入分別是小于還是大于 VT。因此,可以得出結(jié)論,當(dāng)使MOS管s在截止和飽和工作區(qū)域之間工作時,可以使MOS管起電子開關(guān)的作用。
    n 溝道耗盡型 MOS管開關(guān)電路
    與 n 溝道增強(qiáng)型MOS管的情況類似,n 溝道耗盡型 MOS管也可用于執(zhí)行開關(guān)動作,如下圖所示。這種電路的行為與上面的解釋幾乎相同,除了事實上,對于截止,柵極電壓 VG需要設(shè)為負(fù)值,并且應(yīng)小于 -V。
    MOS管開關(guān)電路
    n 溝道耗盡型 MOS管開關(guān)電路圖
    p 溝道增強(qiáng)型MOS管開關(guān)電路
    下圖顯示了將 p 溝道增強(qiáng)型MOS管用作開關(guān)的情況。這里可以看出,電源電壓 VS施加在其源極端子 (S) 上,柵極端子提供輸入電壓 Vi,而漏極端子通過電阻RD接地。
    MOS管開關(guān)電路
    p 溝道增強(qiáng)型MOS管開關(guān)電路圖
    此外,從MOS管的漏極端子通過RD獲得電路Vo的輸出。在 p 型器件的情況下,傳導(dǎo)電流將來自空穴,因此會從源極流向漏極 ISD,而不是從漏極流向源極(IDS) 與 n 型器件一樣。
    現(xiàn)在,讓我們假設(shè)只有MOS管的柵極電壓 VG的輸入電壓變低。這會導(dǎo)致MOS管開啟并為電流提供低(幾乎可以忽略不計)電阻路徑。
    結(jié)果,大電流流過器件,導(dǎo)致電阻 RD上的電壓降很大。這反過來導(dǎo)致輸出幾乎等于電源電壓VS 。接下來,考慮Vi變高的情況,即當(dāng)Vi將大于器件的閾值電壓(這些器件的 VT將為負(fù)值)。在這種情況下MOS管將關(guān)閉并為電流提供高阻抗路徑。這導(dǎo)致幾乎為零的電流導(dǎo)致輸出端子處的電壓幾乎為零。
    p 溝道耗盡型MOS管開關(guān)電路
    與此類似, p 溝道耗盡型MOS管也可用于執(zhí)行開關(guān)動作,如下圖所示。該電路的工作原理與上述電路幾乎相似,只是此處的截止區(qū)域為僅當(dāng) Vi = VG為正且超過器件的閾值電壓時才會出現(xiàn)。
    MOS管開關(guān)電路
    p 溝道耗盡型MOS管開關(guān)電路圖
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