MOS管及MOS管的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1、MOS 管及 MOS 管的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)MOS 管及 MOS 管的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)摘要:本文將對 MOSFET 的種類，結(jié)構(gòu)，特性及應(yīng)用電路作一簡單介紹，并控討了一下 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)問題在使用 MOS 管設(shè)計(jì)開關(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。1、MOS 管種類和結(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 種類型，但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的 N 溝道 MOS

2、管和增強(qiáng)型的 P 溝道 MOS 管，所以通常提到 NMOS,或者 PMOS 指的就是這兩種。右圖是這兩種 MOS 管的符號(hào)。N溝道MOSF溝道N40s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(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。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)部通常是沒有的。下圖是 MOS 管

3、的構(gòu)造圖，通常的原理圖中都畫成右圖所示的樣子。（柵極保護(hù)用二極管有時(shí)不畫）MOS 管的三個(gè)管腳之間有寄生電容存在，如右圖所示。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，但沒有辦法避免，在 MOS 管的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)再詳細(xì)介紹。Lqjiyniunt匚!tutt2、MOS 管導(dǎo)通特性導(dǎo)通的意思是作為開關(guān)，相當(dāng)于開關(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，使用與源極接 VCC 時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。

4、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，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用 NMOS。右圖是瑞薩 2SK3418 的 Vgs 電壓和 Vds 電壓的關(guān)系圖?？梢钥闯鲂‰娏鲿r(shí)，Vgs 達(dá)到 4V,DS 間壓降已經(jīng)很小，可以認(rèn)為導(dǎo)通。DraintnSaturatQfVvltag9vs,GatetoSourceWltagc3、MOS 開關(guān)管損失不管是 NMOS 還是 PMOS,導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，因而在 DS 間流過電流的同時(shí)，兩端還會(huì)有電壓（如2SK3418 特性圖所示）.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。詵擇導(dǎo)通電阻小

5、的 MOS 管會(huì)減小導(dǎo)通損耗?，F(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)下降的過程，流過的電流有一個(gè)上升的過程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS 管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關(guān)損失。通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開關(guān)頻率越快，損失也越大。下圖是 MOS 管導(dǎo)通時(shí)的波形。可以看出，導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。降低開關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失；降低開關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(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

6、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 GSGD 之間存在寄生電容，而 MOS 管的驅(qū)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?yàn)閷﹄娙莩潆娝查g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，就要專門的升壓電路了。很多馬達(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)域里，但在 12V 汽車電子系統(tǒng)里，一般4V 導(dǎo)?甬就夠用了。MOS 管的驅(qū)動(dòng)電路及其損失，可以參考 Microchip 公司的 AN799MatchingMOSFETDriverstoMOSFETs 講述得很詳細(xì)，所以不打算多