MOSFET管開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)

1、僅供個(gè)人參考MOS管開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)知識(shí)在使用 MOS管設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源或者馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候，大部分人都會(huì)考慮 MOS的導(dǎo)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(yōu)秀的，作為正式的產(chǎn)品設(shè)計(jì)也是不允許的。下面是我對(duì) MOSFET及 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路基礎(chǔ)的一點(diǎn)總結(jié)， 其中參考了一些資料，非全部原創(chuàng)。包括MOS管的介紹，特性，驅(qū)動(dòng)以及應(yīng)用電路。1，MOS管種類(lèi)和結(jié)構(gòu)MOSFET管是 FET的一種（另一種是 JFET），可以被制造成增強(qiáng)型或耗盡型， P 溝道或 N溝道共 4 種類(lèi)型，但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道 MOS管和增強(qiáng)型的 P 溝道 MO

2、S管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。For personaluse only in study and research;not forcommercialuse至于為什么不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問(wèn)底。對(duì)于這兩種增強(qiáng)型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導(dǎo)通電阻小，且容易制造。所以開(kāi)關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考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(shè)計(jì)或選擇驅(qū)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(xì)介紹。F

3、or personaluse only in study and research;not forcommercialuse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(qū)動(dòng)感性負(fù)載（如馬達(dá)），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(nèi)部通常是沒(méi)有的。2，MOS管導(dǎo)通特性導(dǎo)通的意思是作為開(kāi)關(guān)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。NMOS 的特性，Vgs 大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通， 適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)），只要柵極電壓達(dá)到4V 或 10V 就可以了。PMOS 的特性， Vgs 小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高

4、端驅(qū)動(dòng)）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大， 價(jià)格貴，替換種類(lèi)少等原因， 在高端驅(qū)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(dǎo)通后都有導(dǎo)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(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考通電阻小的 MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗。 現(xiàn)在的小功率 MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。MOS 在導(dǎo)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(nèi)，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)

5、關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開(kāi)關(guān)頻率越快，損失也越大。導(dǎo)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(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失；降低開(kāi)關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。4，MOS管驅(qū)動(dòng)跟雙極性晶體管相比， 一般認(rèn)為使 MOS管導(dǎo)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(jié)構(gòu)中可以看到，在 GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流，因?yàn)閷?duì)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(shè)計(jì) MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)第一要

6、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(qū)動(dòng)的NMOS，導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。 而高端驅(qū)動(dòng)的 MOS管導(dǎo)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(tǒng)里，要得到比 VCC大的電壓，就要專門(mén)的升壓電路了。很多馬不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考達(dá)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵， 要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容， 以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng) MOS管。上邊說(shuō)的 4V 或 10V是常用的 MOS管的導(dǎo)通電壓，設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)然需要有一定的余量。而且電壓越高，導(dǎo)通速度越快，導(dǎo)通電阻也越小?，F(xiàn)在也有導(dǎo)通電壓更小的 MOS管用在不同的領(lǐng)

7、域里， 但在 12V 汽車(chē)電子系統(tǒng)里，一般 4V 導(dǎo)通就夠用了。MOS 管的驅(qū)動(dòng)電路及其損失，可以參考 Microchip 公司的 AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。講述得很詳細(xì)，所以不打算多寫(xiě)了。5，MOS管應(yīng)用電路MOS管最顯著的特性是開(kāi)關(guān)特性好，所以被廣泛應(yīng)用在需要電子開(kāi)關(guān)的電路中，常見(jiàn)的如開(kāi)關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，也有照明調(diào)光。MOS管的開(kāi)關(guān)特性一、靜態(tài)特性MOS管作為開(kāi)關(guān)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)。圖 3.8(a) 為由 NMOS增強(qiáng)型管構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電路。不得用于商業(yè)

8、用途僅供個(gè)人參考圖 3.8NMOS管構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電路及其等效電路工作特性如下 ： uGS開(kāi)啟電壓 UT：MOS管工作在截止區(qū)，漏源電流 i DS基本為 0，輸出電壓 uDSUDD，MOS管處于 " 斷開(kāi) " 狀態(tài)，其等效電路如圖 3.8(b)所示。 uGS開(kāi)啟電壓 UT：MOS管工作在導(dǎo)通區(qū)， 漏源電流 i DS=UDD/(R D+r DS) 。其中，r DS為 MOS管導(dǎo)通時(shí)的漏源電阻。 輸出電壓 UDS=UDD·rDS/(R D+r DS),如果 r DS RD，則 uDS0V，MOS管處于 " 接通 " 狀態(tài)，其等效電路如圖3.8(c) 所

9、示。二、動(dòng)態(tài)特性MOS管在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)同樣存在過(guò)渡過(guò)程，但 其動(dòng)態(tài)特性主要取決于與電路有關(guān)的雜散電容充、 放電所需的時(shí)間 ，而管子本身導(dǎo)通和截止時(shí)電荷積累和消散的時(shí)間是很小的。圖3.9(a) 和(b) 分別給出了一個(gè) NMOS管組成的電路及其動(dòng)態(tài)特性示意圖。不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考圖 3.9 NMOS管動(dòng)態(tài)特性示意圖當(dāng)輸入電壓 ui 由高變低， MOS管由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，電源 UDD通過(guò) RD向雜散電容 CL 充電，充電時(shí)間常數(shù) 1=RDCL。所以，輸出電壓 uo 要通過(guò)一定延時(shí)才由低電平變?yōu)楦唠娖剑划?dāng)輸入電壓ui 由低變高， MOS管由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，

10、雜散電容 CL 上的電荷通過(guò) r DS進(jìn)行放電，其 放電時(shí)間常數(shù) 2rDSCL?？梢?jiàn)，輸出電壓 Uo 也要經(jīng)過(guò)一定延時(shí)才能轉(zhuǎn)變成低電平。但 因?yàn)?r DS比 RD 小得多，所以，由截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換時(shí)間比由導(dǎo)通到截止的轉(zhuǎn)換時(shí)間要短 。由于 MOS管導(dǎo)通時(shí)的漏源電阻 r DS比晶體三極管的飽和電阻 r CES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不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考管的充、放電時(shí)間較長(zhǎng)， 使 MOS管的開(kāi)關(guān)速度比晶體三極管的開(kāi)關(guān)速度低。不過(guò)，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(guò)程都比較快，從而使CMOS電路有較高的開(kāi)關(guān)速度。不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途。For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f ü r den pers?nlichen fü r Studien, Forschung, zu