MOS管开关(互联网+)

MOS管开关

现在常用的MOS管大多是N沟道增强型的了，一般一块钱左右的管子，源极电流可以达到近十安培而导通电阻仅在几毫欧。另外现在的MOS管已经不像早期那样脆弱，因为SD上并联有可以承受几安培电流的反向保护二极管。MOS管有几个重要的参数，Vgs，Vds,Id/Is以及Ron，其中对于Vgs也就是栅极控制电压有一些特殊的要求与用法，它就像三极管的Ibe，之所以称为Vgs就是因为这个电压必须相对于S级而言，也就是G极必须比S极高出一定的电压才能驱动MOS管，否则管子的导通电阻会很大，也就是管子不能导通。比如Vgs耐压在12V左右的管子，当Vgs高于1.5V以上时就基本可以认为导通，一般4-5V就可以达到其最小Ron了。但是，由于这个电压是基于S极的，所以对于电源一类的开关管应用场合（靠低压控制高压输入），必须想办法让Vgs高于Vs足够高（或者也可以让管子并联于电源，靠储能器件工作于高速开关状态），而为了简化电路一般都是在栅极上添加自举电路。自举电路一般由一个电容和反向二极管组成，相当于给栅极增加了一个串联的电池。自举电容根据使用情况的不同，可以选用极性电容，也可以选择非极性电容。在选择这个电容时，如果电容很小，则电容储能不够，放电很快，开关管很难被有效打开或关闭；如果电容过大，也会导致开关速度受限，电路板面积也会增加。所以，电容要根据开关管工作速度适当选取，一般将电容值选择在放电时间稍长与开关周期即可，具体的参数可以根据实验来确定。

相对与N沟道的MOS管，P沟道的管子在驱动起来就稍微容易一些，因为不必再去创造高于电源电压的驱动环境，使用一个简单的三极管调压电路就可以实现了

使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，大部分人都会考虑MOS的导通电阻，最大电压等，最大电流等，也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的，但并不是优秀的，作为正式的产品设计也是不允许的。

下面是我对MOSFET及MOSFET驱动电路基础的一点总结，其中参考了一些资料，非全部原创。包括MOS管的介绍，特性，驱动以及应用电路。

1，MOS管种类和结构

MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N 沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。

至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。

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。下面的介绍中，也多以NMOS为主。

MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍。

在MOS管原理图上可以看到，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，体二极管只在单个的MOS 管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。

2，MOS管导通特性

导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），

只要栅极电压达到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。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，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。

3，MOS开关管损失

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，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。

MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，损失也越大。

导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

4，MOS管驱动

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，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管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。

第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的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大的电压，就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动MOS管。

上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压，设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高，导通速度越快，导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里，但在12V汽车电子系统里，一般4V导通就够用了。

MOS管的驱动电路及其损失，可以参考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。讲述得很详细，所以不打算多写了。

5，MOS管应用电路

MOS管最显著的特性是开关特性好，所以被广泛应用在需要电子开关的电路中，常见的如开关电源和马达驱动，也有照明调光。

2008年07月14日星期一10:32

一、静态特性

MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。由于MOS管是电压控制元件，所以主要由栅源电压uGS决定其工作状态。

工作特性如下：

※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，其等效电路如图3.8(b)所示。

※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管导通时的漏源电阻。输出电压UDS=UDD·rDS/(RD+rDS),如果rDS＜＜RD，则uDS≈0V，

MOS管处于"接通"状态，其等效电路如图3.8(c)所示。

二、动态特性

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，但其动态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。图3.9(a)和(b)分别给出了一个NMOS管组成的电路及其动态特性示意图。

NMOS管动态特性示意图

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；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 上的电荷通过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，由截止到导通的转换时间比由导通到截止的转换时间要短。

由于MOS管导通时的漏源电阻rDS比晶体三极管的饱和电阻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管的充、放电时间较长，使MOS管的开关速度比晶体三极管的开关速度低。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电路有较高的开关速度。

MOSFET的输入阻抗很高，栅源的极间电容很小

NMOS：高导通V GS

PMOS：低导通V GS

衬底一般跟源极连通，所以N沟道的P衬底跟S极连通，使用时让P衬底接低电位，N衬底接高电位才能导通。无论是N还是P mos管在D--->S之间都有二极管，此二极管起保护作用。

MOS场效应管

MOS场效应管即金属-氧化物-半导体型场效应管，英文缩写为MOSFET （Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor），属于绝缘栅型。其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻（最高可达1015Ω）。它也分N沟道管和P沟道管，符号如图1所示。通常是将衬底（基板）与源极S接在一起。根据导电方式的不同，MOSFET又分增强型、耗尽型。所谓增强型是指：当VGS=0时管子是呈截止状态，加上正确的VGS后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。耗尽型则是指，当VGS=0时即形成沟道，加上正确的VGS时，能使多数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。

以N沟道为例，它是在P型硅衬底上制成两个高掺杂浓度的源扩散区N+和漏扩散区N+，再分别引出源极S和漏极D。源极与衬底在内部连通，二者总保持等电位。图1（a）符号中的前头方向是从外向电，表示从P型材料（衬底）指身N型沟道。当漏接电源正极，源极接电源负极并使VGS=0时，沟道电流（即漏极电流）ID=0。随着VGS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，在两个扩散区之间就感应出带负电的少数载流子，形成从漏极到源极的N 型沟道，当VGS大于管子的开启电压VTN（一般约为+2V）时，N沟道管开始导通，形成漏极电流ID。

国产N沟道MOSFET的典型产品有3DO1、3DO2、3DO4（以上均为单栅管），4DO1（双栅管）。它们的管脚排列（底视图）见图2。

MOS场效应管比较“娇气”。这是由于它的输入电阻很高，而栅-源极间电容又非常小，极易受外界电磁场或静电的感应而带电，而少量电荷就可在极间电容上形成相当高的电压（U=Q/C），将管子损坏。因此了厂时各管脚都绞合在一起，或装在金属箔内，使G极与S 极呈等电位，防止积累静电荷。管子不用时，全部引线也应短接。在测量时应格外小心，并采取相应的防静电感措施。下面介绍检测方法。

1．准备工作

测量之前，先把人体对地短路后，才能摸触MOSFET的管脚。最好在手腕上接一条导线与大地连通，使人体与大地保持等电位。再把管脚分开，然后拆掉导线。

2．判定电极

将万用表拨于R×100档，首先确定栅极。若某脚与其它脚的电阻都是无穷大，证明此脚就是栅极G。交换表笔重测量，S-D之间的电阻值应为几百欧至几千欧，其中阻值较小的那一次，黑表笔接的为D极，红表笔接的是S极。日本生产的3SK系列产品，S极与管壳接通，据此很容易确定S极。

3．检查放大能力（跨导）

将G极悬空，黑表笔接D极，红表笔接S极，然后用手指触摸G极，表针应有较大的偏转。双栅MOS场效应管有两个栅极G1、G2。为区分之，可用手分别触摸G1、G2极，其中表针向左侧偏转幅度较大的为G2极。

目前有的MOSFET管在G-S极间增加了保护二极管，平时就不需要把各管脚短路了

三极管

原来总是看DATASHEET，以为BJT的CE之间是有不小的压降，虽然比二极管要小点，但还是很令人畏惧。

于是，我习惯了用NPN管。

但是，现在怕是要改变习惯了，因为恰当的使NPN或PNP三极管，压降都可以降为零，即Vce=～0V。

以下为NPN/PNP的正确用法，且第一种和第四种用法可以使Vce导通压降接近0V。

由于三极管Vbe总不是那么均匀，个体参数差异较大，所以要保证Ibe足够大，起码要保证Ibe=Ice，否则，压降还不会变成0V的。比如，管子为NPN管时Rb=10K，Rc=100K。具体电阻的选定做个试验就知道了~

注：

NPN管不适合用于零压降电路，因为这是以牺牲功耗为代价的，这里用PNP更为恰当；

PNP管不适合用于低压控制高压，因为会存在无法关断的情况，这里用NPN更为恰当；还有一点需要注意，PNP管在导通后基极的电压是Ve-0.5V，如果此时Ve是电源电压，那么基极的电压可能足够维持几个低功耗设备的正常工作，这一点是相当可怕的。而NPN管的E极一般接地，所以Vb只有0.5V左右，这个电压是安全的。所以在三极管控制双电源供电的场合，要慎用PNP管。如果必须获取零压降，就需要使用多管复合的方式实现，否则容易造成事故。

如果需要使用三极管电路替代二极管来实现电源控制中的单向导通，需要注意的是，三极管的“零压降”只是在微电流供电的场合，也就是说负载电阻必须很大。因为三极管的压降靠的