MOS開(kāi)關(guān)管的選擇及原理應用

一般情況下普遍用于高端驅動(dòng)的MOS,導通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅動(dòng)的MOS管導通時(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)系統里，要得到比VCC大的電壓，就要專(zhuān)門(mén)的升壓電路了。很多馬達驅動(dòng)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動(dòng)MOS管。

MOS管是電壓驅動(dòng)，按理說(shuō)只要柵極電壓到到開(kāi)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(kāi)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(lái)說(shuō)，串的電阻越大，柵極達到導通電壓時(shí)間越長(cháng)，MOS處于半導通狀態(tài)時(shí)間也越長(cháng)，在半導通狀態(tài)內阻較大，發(fā)熱也會(huì )增大，極易損壞MOS,所以高頻時(shí)柵極柵極串的電阻不但要小，一般要加前置驅動(dòng)電路的。下面我們先來(lái)了解一下MOS管開(kāi)關(guān)的基礎知識。

1、MOS管種類(lèi)和結構

MOSFET管是FET的一種(另一種是JFET)，可以被制造成增強型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類(lèi)型，但實(shí)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(wèn)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(kāi)關(guān)電源和馬達驅動(dòng)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(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計或選擇驅動(dòng)電路的時(shí)候要麻煩一些，但沒(méi)有辦法避免，后邊再詳細介紹。

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，在驅動(dòng)感性負載(如馬達)，這個(gè)二極管很重要。順便說(shuō)一句，體二極管只在單個(gè)的MOS管中存在，在集成電路芯片內部通常是沒(méi)有的。

2、MOS管導通特性

導通的意思是作為開(kāi)關(guān)，相當于開(kāi)關(guān)閉合。

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會(huì )導通，適合用于源極接地時(shí)的情況(低端驅動(dòng))，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(huì )導通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況(高端驅動(dòng))。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動(dòng)，但由于導通電阻大，價(jià)格貴，替換種類(lèi)少等原因，在高端驅動(dòng)中，通常還是使用NMOS.

3、MOS開(kāi)關(guān)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(huì )在這個(gè)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(huì )減小導通損耗?，F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(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(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程，在這段時(shí)間內，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開(kāi)關(guān)損失。通常開(kāi)關(guān)損失比導通損失大得多，而且開(kāi)關(guān)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?？s短開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小每次導通時(shí)的損失;降低開(kāi)關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內的開(kāi)關(guān)次數。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。

4、MOS管驅動(dòng)

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(gè)很容易做到，但是，我們還需要速度。

在MOS管的結構中可以看到，在GS,GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅動(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，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會(huì )比較大。選擇/設計MOS管驅動(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)，因為MOSFET有兩大類(lèi)型：N溝道和P溝道。在功率系統中，MOSFET可被看成電氣開(kāi)關(guān)。當在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時(shí)，其開(kāi)關(guān)導通。導通時(shí)，電流可經(jīng)開(kāi)關(guān)從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個(gè)內阻，稱(chēng)為導通電阻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，器件將不能按設計意圖工作，并可能在不恰當的時(shí)刻導通或關(guān)閉，導致系統產(chǎn)生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過(guò)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(chēng)之為漏電流，即IDSS.

第一步：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(gè)MOSFET接地，而負載連接到干線(xiàn)電壓上時(shí)，該MOSFET就構成了低壓側開(kāi)關(guān)。在低壓側開(kāi)關(guān)中，應采用N溝道MOSFET,這是出于對關(guān)閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOSFET連接到總線(xiàn)及負載接地時(shí)，就要用高壓側開(kāi)關(guān)。通常會(huì )在這個(gè)拓撲中采用P溝道MOSFET,這也是出于對電壓驅動(dòng)的考慮。

第二步：確定額定電流

第二步是選擇MOSFET的額定電流。視電路結構而定，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(gè)額定電流，即使在系統產(chǎn)生尖峰電流時(shí)。兩個(gè)考慮的電流情況是連續模式和脈沖尖峰。該參數以FDN304P管DATASHEET為參考，參數如圖所示：

在連續導通模式下，MOSFET處于穩態(tài)，此時(shí)電流連續通過(guò)器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過(guò)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，還必須計算導通損耗。在實(shí)際情況下，MOSFET并不是理想的器件，因為在導電過(guò)程中會(huì )有電能損耗，這稱(chēng)之為導通損耗。MOSFET在“導通”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(zhù)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(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。對系統設計人員來(lái)說(shuō)，這就是取決于系統電壓而需要折中權衡的地方。對便攜式設計來(lái)說(shuō)，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(huì )隨著(zhù)電流輕微上升。關(guān)于RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。

第三步：確定熱要求

選擇MOSFET的下一步是計算系統的散熱要求。設計人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對最壞情況的計算結果，因為這個(gè)結果提供更大的安全余量，能確保系統不會(huì )失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數據;比如封裝器件的半導體結與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結溫。

器件的結溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結溫=最大環(huán)境溫度+[熱阻×功率耗散])。根據這個(gè)方程可解出系統的最大功率耗散，即按定義相等于I2×RDS(ON)。由于設計人員已確定將要通過(guò)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(jiǎn)單熱模型時(shí)，設計人員還必須考慮半導體結/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(kāi)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(huì )出現不必要的麻煩。選用PMOS作為控制開(kāi)關(guān)，有下面兩種應用：