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硬件設計 | MOS管篇

一般情況下，普遍用于高端驅(qū)動的MOS，導通時需要是柵極電壓大于源極電壓，而高端驅(qū)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(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了，很多馬達驅(qū)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(qū)動MOS管。

(資料圖片)

MOS管是電壓驅(qū)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(tài)時間也越長，在半導通狀態(tài)內(nèi)阻較大，發(fā)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(qū)動電路的。

1MOS管種類和結(jié)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(qū)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(chǎn)生的，寄生電容的存在使得在設計或選擇驅(qū)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(qū)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(nèi)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(qū)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(qū)動)。

但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動，但由于導通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)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(xiàn)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(nèi)，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(nèi)的開關次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關損失。

4MOS管驅(qū)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(jié)構中可以看到，在GS、GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)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(qū)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(tǒng)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(jīng)開關從漏極流向源極。

漏極和源極之間存在一個內(nèi)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?shù)臅r刻導通或關閉，導致系統(tǒng)產(chǎn)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(jīng)關閉，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(cè)開關。

在低壓側(cè)開關中，應采用N溝道MOS，這是出于對關閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]，當MOSFET連接到總線及負載接地時，就要用高壓側(cè)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(qū)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(jié)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(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時，兩個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)導通模式下，MOSFET處于穩(wěn)態(tài)，此時電流連續(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(tǒng)設計人員來說，這就是取決于系統(tǒng)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(yè)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(shù)變化可在制造商提供的技術資料表中查到。

03確定熱要求

選擇MOSFET的下一步是計算系統(tǒng)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(jié)果，因為這個結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會失效。

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(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(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(xiàn)不必要的麻煩。

選用PMOS作為控制開關，有下面兩種應用：

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(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。

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(tài)，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(nèi)部管腳并沒有上拉時，即輸出為開漏時，并不能驅(qū)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(tài)特性

MOS管作為開關元件，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管工作在導通區(qū)，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(tài)，其等效電路如上圖(c)所示。

02動態(tài)特性

MOS管在導通與截止兩種狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時同樣存在過渡過程，但其動態(tài)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(tài)特性示意圖。

NMOS管動態(tài)特性示意圖

當輸入電壓ui由高變低，MOS管由導通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為截止狀態(tài)時，電源UDD通過RD向雜散電容CL充電，充電時間常數(shù)τ1=RDCL。

所以，輸出電壓uo要通過一定延時才由低電平變?yōu)楦唠娖健?/p>

當輸入電壓ui由低變高，MOS管由截止狀態(tài)轉(zhuǎn)換為導通狀態(tài)時，雜散電容CL上的電荷通過rDS進行放電，其放電時間常數(shù)τ2≈rDSCL。

可見，輸出電壓Uo也要經(jīng)過一定延時才能轉(zhuǎn)變成低電平。

但因為rDS比RD小得多，所以，由截止到導通的轉(zhuǎn)換時間比由導通到截止的轉(zhuǎn)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。

審核編輯：湯梓紅