mos管開關工作原理-解析如何使MOS管工作在開關電路等-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-06-13
在使用MOS管設計開關電源或者馬達驅動電路的時候，大部分人都會考慮MOS的導通電阻，最大電壓等，最大電流等，也有很多人僅僅考慮這些因素。這樣的電路也許是可以工作的，但并不是優秀的，作為正式的產品設計也是不允許的。
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種類型，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。
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生的。寄生電容的存在使得在設計或選擇驅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。
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，在集成電路芯片內部通常是沒有的。
靜態特性
MOS管作為開關元件，同樣是工作在截止或導通兩種狀態。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。
工作特性如下：
※uGS<開啟電壓UT:MOS管工作在截止區，漏源電流iDS基本為0,輸出電壓uDS≈UDD,MOS管處于“斷開”狀態，其等效電路如下圖所示。
※uGS>開啟電壓UT:MOS管工作在導通區，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，其等效電路如上圖(c)所示。
動態特性
MOS管在導通與截止兩種狀態發生轉換時同樣存在過渡過程，但其動態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。
當輸入電壓ui由高變低，MOS管由導通狀態轉換為截止狀態時，電源UDD通過RD向雜散電容CL充電，充電時間常數τ1=RDCL.所以，輸出電壓uo要通過一定延時才由低電平變為高電平;當輸入電壓ui由低變高，MOS管由截止狀態轉換為導通狀態時，雜散電容CL上的電荷通過rDS進行放電，其放電時間常數τ2≈rDSCL.可見，輸出電壓Uo也要經過一定延時才能轉變成低電平。但因為rDS比RD小得多，所以，由截止到導通的轉換時間比由導通到截止的轉換時間要短。
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。
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(高端驅動)。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動，但由于導通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅動中，通常還是使用NMOS。
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，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的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。
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管的結構中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅動，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管驅動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。
第二注意的是，普遍用于高端驅動的NMOS，導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅動的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動MOS管。
上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導通電壓，設計時當然需要有一定的余量。而且電壓越高，導通速度越快，導通電阻也越小。現在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領域里，但在12V汽車電子系統里，一般4V導通就夠用了。
MOS管最顯著的特性是開關特性好，所以被廣泛應用在需要電子開關的電路中，常見的如開關電源和馬達驅動，也有照明調光。
做電源設計，或者做驅動方面的電路，難免要用到場效應管，也就是人們常說的MOS管。MOS管有很多種類，也有很多作用。做電源或者驅動的使用，當然就是用它的開關作用。
無論N型或者P型MOS管，其工作原理本質是一樣的。MOS管是由加在輸入端柵極的電壓來控制輸出端漏極的電流。MOS管是壓控器件它通過加在柵極上的電壓控制器件的特性，不會發生像三極管做開關時的因基極電流引起的電荷存儲效應，因此在開關應用中，MOS管的開關速度應該比三極管快。其主要原理如圖：圖1。
我們在開關電源中常用MOS管的漏極開路電路，如圖2漏極原封不動地接負載，叫開路漏極，開路漏極電路中不管負載接多高的電壓，都能夠接通和關斷負載電流。是理想的模擬開關器件。這就是MOS管做開關器件的原理。當然MOS管做開關使用的電路形式比較多了。
在開關電源應用方面，這種應用需要MOS管定期導通和關斷。比如，DC-DC電源中常用的基本降壓轉換器依賴兩個MOS管來執行開關功能，這些開關交替在電感里存儲能量，然后把能量釋放給負載。我們常選擇數百kHz乃至1MHz以上的頻率，因為頻率越高，磁性元件可以更小更輕。在正常工作期間，MOS管只相當于一個導體。因此，我們電路或者電源設計人員最關心的是MOS的最小傳導損耗。
我們經常看MOS管的PDF參數，MOS管制造商采用RDS（ON）參數來定義導通阻抗，對開關應用來說，RDS（ON）也是最重要的器件特性。數據手冊定義RDS（ON）與柵極（或驅動）電壓VGS以及流經開關的電流有關，但對于充分的柵極驅動，RDS（ON）是一個相對靜態參數。一直處于導通的MOS管很容易發熱。另外，慢慢升高的結溫也會導致RDS（ON）的增加。MOS管數據手冊規定了熱阻抗參數，其定義為MOS管封裝的半導體結散熱能力。RθJC的最簡單的定義是結到管殼的熱阻抗。
①發熱情況有，電路設計的問題，就是讓MOS管工作在線性的工作狀態，而不是在開關狀態。這也是導致MOS管發熱的一個原因。如果N-MOS做開關，G級電壓要比電源高幾V，才能完全導通，P-MOS則相反。沒有完全打開而壓降過大造成功率消耗，等效直流阻抗比較大，壓降增大，所以U*I也增大，損耗就意味著發熱。這是設計電路的最忌諱的錯誤。
②頻率太高，主要是有時過分追求體積，導致頻率提高，MOS管上的損耗增大了，所以發熱也加大了
③沒有做好足夠的散熱設計，電流太高，MOS管標稱的電流值，一般需要良好的散熱才能達到。所以ID小于最大電流，也可能發熱嚴重，需要足夠的輔助散熱片。
④MOS管的選型有誤，對功率判斷有誤，MOS管內阻沒有充分考慮，導致開關阻抗增大.
其實這些問題也是老生常談的問題，做開關電源或者MOS管開關驅動這些知識應該是爛熟于心，當然有時還有其他方面的因素，主要就是以上幾種原因。
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