MOS开关基础知识

发布者:hpediter 发布时间:2020-05-26 18:29:46

MOS开关基础知识

一个

MOSFET是一种FET(另一种是JFET)。它可以制成增强型或耗尽型。p沟道和n沟道共有四种类型,但在实际应用中只使用了增强 n沟道MOS和增强 p沟道MOS,所以通常会提到NMOS或PMOS。NMOS是这两种增强型MOS晶体管 常用器件,由于其导通电阻小,易于制造,因此NMOS在开关电源和电机驱动等方面得到了广泛 应用。

当MOS打开和关闭时,不能立即完成。在此期间,MOS晶体管 损耗是电压和电流 乘积,称为开关损耗。一般来说,开关损耗远大于传导损耗,开关频率越快,损耗越大。

作为一种开关元件,MOS晶体管也工作在截止或通电状态。由于MOS晶体管是一种电压控制元件,其工作状态部分由栅源电压UGS决定。

开关状态下MOS晶体管 过渡过程是相同 ,但MOS晶体管 动态特性部分取决于与电路相关 杂散电容 充放电时间,而开关状态下 电荷积累和耗散时间很小。下图显示了NMOS 电路和动态特性。

MOS管开关 基础知识

MOS管是电压驱动,按理说只要栅极电压到到开启电压就能导通DS,栅极串多大电阻均能导通。但如果要求开关频率较高时,栅对地或VCC可以看做是一个电容,对于一个电容来说,串 电阻越大,栅极达到导通电压时间越长,MOS处于半导通状态时间也越长,在半导通状态内阻较大,发热也会增大,极易损坏MOS,所以高频时栅极栅极串 电阻不但要小,一般要加前置驱动电路 。

MOS管 三个管脚之间有寄生电容存在,这不是我们需要 ,而是由于制造工艺限制产生 。寄生电容 存在使得在设计或选购驱动电路 时候要麻烦一些,但没有办法避免,后边再详细介绍。在MOS管 漏极和源极之间有一个寄生二极管,这个叫体二极管,在驱动感性负载(如马达),这个二极管很重要。顺便说一句,体二极管只在单个 MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有 。

NMOS 特性,Vgs大于一定 值就会导通,适合用于源极接地时 情况(低端驱动),只要栅极电压达到4V或10V就可以了。PMOS 特性,Vgs小于一定 值就会导通,适合用于源极接VCC时 情况(高端驱动)。

NMOS管动态特性示意图

No.1MOS管种类和结构

No.2MOS管导通特性

No.四MOS开关管损失

No.4MOS管驱动

No.5MOS管 开关特性

uGS>开启电压UT,MOS管工作在导通区,漏源电流iDS=UDD/(RD+rDS)。其中,rDS为MOS管导通时 漏源电阻。输出电压UDS=UDD·rDS/(RD+rDS),如果rDS《RD,则uDS≈0V,MOS管处于“接通”状态,其等效电路如上图(c)所示。

uGS开启电压UT,MOS管工作在截止区,漏源电流iDS基本为0,输出电压uDS≈UDD,MOS管处于“断开”状态,其等效电路如下图所示。

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一般来说,普遍用于高端驱动 MOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压,而高端驱动 MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里,要得到比VCC大 电压,就要专门 升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意 是应该选购合适 外接电容,以得到足够 短路电流去驱动MOS管。

下面我们先来了解一下

不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗 能量叫做导通损耗。选购导通电阻小 MOS管会减小导通损耗。现在 小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧 也有。

为设计选购正确器件 好步是决定采用N沟道还是P沟道MOSFET。在典型 功率应用中,当一个MOSFET接地,而负载连接到干线电压上时,该MOSFET就构成了低压侧开关。在低压侧开关中,应采用N沟道MOSFET,这是出于对关闭或导通器件所需电压 考虑。

但是,虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价钱贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS。

动态特性

器件 功率耗损可由Iload2×RDS(ON)计算,由于导通电阻随温度变化,因此功率耗损也会随之按比例变化。对MOSFET施加 电压VGS越高,RDS(ON)就会越小,反之RDS(ON)就会越高。

器件 结温等于新大环境温度加上热阻与功率耗散 乘积(结温=新大环境温度+[热阻×功率耗散]),根据这个方程可解出系统 新大功率耗散,即按定义相等于I2×RDS(ON)。由于设计人员已确定将要通过器件 新大电流,因此可以计算出不同温度下 RDS(ON)。值得注意 是,在处理简单热模型时,设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/环境 热容量,即要求印刷电路板和封装不会立即升温。

在MOS管 结构中可以看到,在GS和GD之间存在寄生电容,而MOS管 驱动,实际上就是对电容 充放电。对电容 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。选购/设计MOS管驱动时好要注意 是可提供瞬间短路电流 大小。

在连续导通模式下,MOSFET处于稳态,此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件,一旦确定了这些条件下 新大电流,只需直接选购能承受这个新大电流 器件便可。

对系统设计人员来说,这就是取决于系统电压而需要折中权衡 地方。对便携式设计来说,采用较低 电压比较容易(较为普遍),而对于工业设计,可采用较高 电压。注意RDS(ON)电阻会随着电流轻微上升,关于RDS(ON)电阻 各种电气参数变化可在制造商提供 技术资料表中查到。

导通 意思是作为开关,相当于开关闭合。

导通瞬间电压和电流 乘积很大,造成 损失也就很大。缩短开关时间,可以减小每次导通时 损失;降低开关频率,可以减小企业时间内 开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

工作特性如下,

当MOSFET连接到总线及负载接地时,就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用P沟道MOSFET,这也是出于对电压驱动 考虑。

当输入电压ui由低变高,MOS管由截止状态转换为导通状态时,杂散电容CL上 电荷通过rDS进行放电,其放电时间常数τ2≈rDSCL。可见,输出电压Uo也要经过一定延时才能转变成低电平。但因为rDS比RD小得多,所以,由截止到导通 转换时间比由导通到截止 转换时间要短。

当输入电压ui由高变低,MOS管由导通状态转换为截止状态时,电源UDD通过RD向杂散电容CL充电,充电时间常数τ1=RDCL,所以,输出电压uo要通过一定延时才由低电平变为高电平。

必须清楚MOSFET 栅极是个高阻抗端,因此,总是要在栅极加上一个电压,这就是后面介绍电路图中栅极所接电阻至地。如果栅极为悬空,器件将不能按设计意图工作,并可能在不恰当 时刻导通或关闭,导致系统产生潜在 功率损耗。当源极和栅极间 电压为零时,必威英超港下午报道,开关关闭,必威英超港发回 报道,而电流停止通过器件。虽然这时器件已经关闭,但仍然有微小电流存在,这称之为漏电流,即IDSS。

来看这个电路,控制信号PGC控制V4.2是否给P_GPRS供电。此电路中,源漏两端没有接反,R110与R11四存在 意义在于R110控制栅极电流不至于过大,R11四控制栅极 常态,将R11四上拉为高,截至PMOS,同时也可以看作是对控制信号 上拉。当MCU内部管脚并没有上拉时,即输出为开漏时,并不能驱动PMOS关闭,此时,就需要外部电压给予 上拉,所以电阻R11四起到了两个作用。R110可以更小,到100欧姆也可。

由PMOS来进行电压 选购,当V8V存在时,此时电压全部由V8V提供,将PMOS关闭,VBAT不提供电压给VSIN,而当V8V为低时,VSIN由8V供电。注意R120 接地,该电阻能将栅极电压稳定地拉低,确保PMOS 正常开启,这也是前文所描述 栅极高阻抗所带来 状态隐患。D9和D10 作用在于防止电压 倒灌。D9可以省略。这里要注意到实际上该电路 DS接反,这样由附生二极管导通导致了开关管 功能不能达到,实际应用要注意。

由于MOS管导通时 漏源电阻rDS比晶体三极管 饱和电阻rCES要大得多,漏极外接电阻RD也比晶体管集电极电阻RC大,所以,MOS管 充、放电时间较长,使MOS管 开关速度比晶体三极管 开关速度低。不过,在CMOS电路中,由于充电电路和放电电路都是低阻电路,因此,其充、放电过程都比较快,从而使CMOS电路有较高 开关速度。以上就是MOS管 原理解析,希望能给大家帮助。

好步,选用N沟道还是P沟道

第三步,确定热要求

第二步是选购MOSFET 额定电流,视电路结构而定,该额定电流应是负载在所有情况下能够承受 新大电流。与电压 情况相似,设计人员必须确保所选 MOSFET能承受这个额定电流,即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑 电流情况是连续模式和脉冲尖峰。

第二步,确定额定电流

而在进行MOSFET 选购时,因为MOSFET有两大类型,N沟道和P沟道。在功率系统中,MOSFET可被看成电气开关。当在N沟道MOSFET 栅极和源极间加上正电压时,其开关导通。导通时,电流可经开关从漏极流向源极。漏极和源极之间存在一个内阻,称为导通电阻RDS(ON)。

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 值,就可以了。这个很容易做到,但是,我们还需要速度。

选好额定电流后,还必须计算导通损耗。在实际情况下,MOSFET并不是理想 器件,因为在导电过程中会有电能损耗,这称之为导通损耗。MOSFET在“导通”时就像一个可变电阻,由器件 RDS(ON)所确定,并随温度而显着变化。

选购MOSFET 下一步是计算系统 散热要求。设计人员必须考虑两种不同 情况,即新坏情况和真实情况。建议采用针对新坏情况 计算结果,因为这个结果提供更大 安全余量,能确保系统不会失效。在MOSFET 资料表上还有一些需要注意 测量资料统计,比如封装器件 半导体结与环境之间 热阻,以及新大 结温。

选用PMOS作为控制开关,有下面两种应用,

通常,一个PMOS管,会有寄生 二极管存在,该二极管 作用是防止源漏端反接,对于PMOS而言,比起NMOS 优势在于它 开启电压可以为0,而DS电压之间电压相差不大,必威英超港从权威人士处获悉,而NMOS 导通条件要求VGS要大于阈值,这将导致控制电压必然大于所需 电压,会出现不必要 麻烦。

静态特性

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