一般情況下,普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的MOS,導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓,而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大4V或10V。
如果在同一個(gè)系統(tǒng)里,要得到比VCC大的電壓,就要專門的升壓電路了,很多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵,要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容,以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng)MOS管。
MOS管是電壓驅(qū)動(dòng),按理說只要柵極電壓到到開啟電壓就能導(dǎo)通DS,柵極串多大電阻均能導(dǎo)通,但如果要求開關(guān)頻率較高時(shí),柵對地或VCC可以看做是一個(gè)電容。
對于一個(gè)電容來說,串的電阻越大,柵極達(dá)到導(dǎo)通電壓時(shí)間越長,MOS處于半導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)間也越長,在半導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)阻較大,發(fā)熱也會(huì)增大,極易損壞MOS,所以高頻時(shí)柵極串的電阻不但要小,一般是需要加前置驅(qū)動(dòng)電路的。
1MOS管種類和結(jié)構(gòu)
MOSFET管是FET的一種,可以被制造成增強(qiáng)型或耗盡型,P溝道或N溝道,但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)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(qiáng)型MOS管,比較常用的是NMOS,原因是導(dǎo)通電阻小且容易制造,所以開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中,一般都用NMOS,下面的介紹中也多以NMOS為主。
MOS管的三個(gè)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(chǎn)生的,寄生電容的存在使得在設(shè)計(jì)或選擇驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候要麻煩一些,但沒有辦法避免,后邊再詳細(xì)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(gè)寄生二極管,這個(gè)叫體二極管,在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載(如馬達(dá)),這個(gè)二極管很重要。
順便說一句,體二極管只在單個(gè)的MOS管中存在,在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒有的。
2MOS管導(dǎo)通特性
導(dǎo)通的意思是作為開關(guān),相當(dāng)于開關(guān)閉合。
NMOS的特性: Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通,適合用于源極接地時(shí)的情況(低端驅(qū)動(dòng)),只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。
PMOS的特性: Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通,適合用于源極接VCC時(shí)的情況(高端驅(qū)動(dòng))。
但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng),但由于導(dǎo)通電阻大,價(jià)格貴,替換種類少等原因,在高端驅(qū)動(dòng)中,通常還是使用NMOS。
3MOS開關(guān)管損失
不管是NMOS還是PMOS,導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在,這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。
選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管,會(huì)減小導(dǎo)通損耗,現(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有。
MOS在導(dǎo)通和截止的時(shí)候,一定不是在瞬間完成的,MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過程,流過的電流有一個(gè)上升的過程,在這段時(shí)間內(nèi),MOS管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開關(guān)損失。
通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多,而且開關(guān)頻率越快,損失也越大。
導(dǎo)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(guān)時(shí)間,可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失;降低開關(guān)頻率,可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。
4MOS管驅(qū)動(dòng)
跟雙極性晶體管相比,一般認(rèn)為使MOS管導(dǎo)通不需要電流,只要GS電壓高于一定的值就可以了,這個(gè)很容易做到,但是,我們還需要速度。
在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到,在GS、GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅(qū)動(dòng),實(shí)際上就是對電容的充放電。
對電容的充電需要一個(gè)電流,因?yàn)閷﹄娙莩潆娝查g可以把電容看成短路,所以瞬間電流會(huì)比較大。
選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí),第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。
而在進(jìn)行MOSFET的選擇時(shí),因?yàn)镸OSFET有兩大類型:N溝道和P溝道。
在功率系統(tǒng)中,MOSFET可被看成電氣開關(guān),當(dāng)在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時(shí),其開關(guān)導(dǎo)通,導(dǎo)通時(shí),電流可經(jīng)開關(guān)從漏極流向源極。
漏極和源極之間存在一個(gè)內(nèi)阻,稱為導(dǎo)通電阻RDS(ON),必須清楚MOSFET的柵極是個(gè)高阻抗端,因此,總是要在柵極加上一個(gè)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(shè)計(jì)意圖工作,并可能在不恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻導(dǎo)通或關(guān)閉,導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。
當(dāng)源極和柵極間的電壓為零時(shí)開關(guān)關(guān)閉,而電流停止通過器件,雖然這時(shí)器件已經(jīng)關(guān)閉,但仍然有微小電流存在,這稱之為漏電流,即IDSS.
01選用N溝道還是P溝道
為設(shè)計(jì)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(yīng)用中,當(dāng)一個(gè)MOSFET接地,而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí),該MOSFET就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。
在低壓側(cè)開關(guān)中,應(yīng)采用N溝道MOS,這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤],當(dāng)MOSFET連接到總線及負(fù)載接地時(shí),就要用高壓側(cè)開關(guān),通常會(huì)在這個(gè)拓?fù)渲胁捎肞溝道MOSFET,這也是出于對電壓驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)而定,該額定電流應(yīng)是負(fù)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(shè)計(jì)人員必須確保所選的MOSFET能承受這個(gè)額定電流,即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時(shí),兩個(gè)考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰,該參數(shù)以FDN304P管DATASHEET為參考,參數(shù)如圖所示:
在連續(xù)導(dǎo)通模式下,MOSFET處于穩(wěn)態(tài),此時(shí)電流連續(xù)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(gè)最大電流的器件便可。
選好額定電流后,還必須計(jì)算導(dǎo)通損耗,在實(shí)際情況下MOSFET并不是理想的器件,因?yàn)樵趯?dǎo)電過程中會(huì)有電能損耗,這稱之為導(dǎo)通損耗。
MOSFET在導(dǎo)通時(shí)就像一個(gè)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(jì)算,由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化,因此功率耗損也會(huì)隨之按比例變化。
對MOSFET施加的電壓VGS越高,RDS(ON)就會(huì)越小;反之RDS(ON)就會(huì)越高。對系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說,這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權(quán)衡的地方。
對便攜式設(shè)計(jì)來說,采用較低的電壓比較容易(較為普遍),而對于工業(yè)設(shè)計(jì),可采用較高的電壓。
注意RDS(ON)電阻會(huì)隨著電流輕微上升,關(guān)于RDS(ON)電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。
03確定熱要求
選擇MOSFET的下一步是計(jì)算系統(tǒng)的散熱要求,設(shè)計(jì)人員必須考慮兩種不同的情況,即最壞情況和真實(shí)情況。
建議采用針對最壞情況的計(jì)算結(jié)果,因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果提供更大的安全余量,能確保系統(tǒng)不會(huì)失效。
在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數(shù)據(jù);比如封裝器件的半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻,以及最大的結(jié)溫。
器件的結(jié)溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積:
結(jié)溫=最大環(huán)境溫度+[熱阻×功率耗散]
根據(jù)這個(gè)方程,可解出系統(tǒng)的最大功率耗散,即按定義相等于I2×RDS(ON)。
由于設(shè)計(jì)人員已確定將要通過器件的最大電流,因此可以計(jì)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(shí),設(shè)計(jì)人員還必須考慮半導(dǎo)體結(jié)/器件外殼及外殼/環(huán)境的熱容量;即要求印刷電路板和封裝不會(huì)立即升溫。
通常,一個(gè)PMOS管,會(huì)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(yōu)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(dǎo)通條件要求VGS要大于閾值,這將導(dǎo)致控制電壓必然大于所需的電壓,會(huì)出現(xiàn)不必要的麻煩。
選用PMOS作為控制開關(guān),有下面兩種應(yīng)用:
第一種應(yīng)用是由PMOS來進(jìn)行電壓選擇,當(dāng)V8V存在時(shí),此時(shí)電壓全部由V8V提供,將PMOS關(guān)閉,VBAT不提供電壓給VSIN,而當(dāng)V8V為低時(shí),VSIN由8V供電。
注意R120的接地,該電阻能將柵極電壓穩(wěn)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(tài)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(shí)際上該電路的DS接反,這樣由附生二極管導(dǎo)通導(dǎo)致了開關(guān)管的功能不能達(dá)到,實(shí)際應(yīng)用要注意。
來看這個(gè)電路,控制信號(hào)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(tài),將R113上拉為高,截至PMOS,同時(shí)也可以看作是對控制信號(hào)的上拉。
當(dāng)MCU內(nèi)部管腳并沒有上拉時(shí),即輸出為開漏時(shí),并不能驅(qū)動(dòng)PMOS關(guān)閉,此時(shí),就需要外部電壓給予的上拉,所以電阻R113起到了兩個(gè)作用,R110可以更小,到100歐姆也可。
5MOS管的開關(guān)特性
01靜態(tài)特性
MOS管作為開關(guān)元件,同樣是工作在截止或?qū)▋煞N狀態(tài),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(tài)。
工作特性如下:
uGS開啟電壓UT:MOS管工作在截止區(qū),漏源電流iDS基本為0,輸出電壓uDS≈UDD,MOS管處于“斷開”狀態(tài),其等效電路如下圖所示。
uGS>開啟電壓UT:MOS管工作在導(dǎo)通區(qū),漏源電流:
iDS=UDD/(RD+rDS)
其中,rDS為MOS管導(dǎo)通時(shí)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(tài),其等效電路如上圖(c)所示。
02動(dòng)態(tài)特性
MOS管在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)同樣存在過渡過程,但其動(dòng)態(tài)特性主要取決于與電路有關(guān)的雜散電容充、放電所需的時(shí)間,而管子本身導(dǎo)通和截止時(shí)電荷積累和消散的時(shí)間是很小的。
下圖 (a)和(b)分別給出了一個(gè)NMOS管組成的電路及其動(dòng)態(tài)特性示意圖。
NMOS管動(dòng)態(tài)特性示意圖
當(dāng)輸入電壓ui由高變低,MOS管由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為截止?fàn)顟B(tài)時(shí),電源UDD通過RD向雜散電容CL充電,充電時(shí)間常數(shù)τ1=RDCL。
所以,輸出電壓uo要通過一定延時(shí)才由低電平變?yōu)楦唠娖健?/div>
當(dāng)輸入電壓ui由低變高,MOS管由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),雜散電容CL上的電荷通過rDS進(jìn)行放電,其放電時(shí)間常數(shù)τ2≈rDSCL。
可見,輸出電壓Uo也要經(jīng)過一定延時(shí)才能轉(zhuǎn)變成低電平。
但因?yàn)閞DS比RD小得多,所以,由截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換時(shí)間比由導(dǎo)通到截止的轉(zhuǎn)換時(shí)間要短。
由于MOS管導(dǎo)通時(shí)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(shí)間較長,使MOS管的開關(guān)速度比晶體三極管的開關(guān)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(guān)速度。
〈烜芯微/XXW〉專業(yè)制造二極管,三極管,MOS管,橋堆等,20年,工廠直銷省20%,上萬家電路電器生產(chǎn)企業(yè)選用,專業(yè)的工程師幫您穩(wěn)定好每一批產(chǎn)品,如果您有遇到什么需要幫助解決的,可以直接聯(lián)系下方的聯(lián)系號(hào)碼或加QQ/微信,由我們的銷售經(jīng)理給您精準(zhǔn)的報(bào)價(jià)以及產(chǎn)品介紹
聯(lián)系號(hào)碼:18923864027(同微信)
QQ:709211280
- 上一篇:MOS管體二極管是什么,MOS管體二極管的作用介紹
- 下一篇:最后一頁
相關(guān)閱讀