大功率MOS管開關(guān)電路實(shí)例應(yīng)用電路分析

第第頁(yè)大功率MOS管開關(guān)電路實(shí)例應(yīng)用電路分析MOS管學(xué)名是場(chǎng)效應(yīng)管，是金屬-氧化物-（半導(dǎo)體）型場(chǎng)效應(yīng)管，屬于絕緣柵型。本文就結(jié)構(gòu)構(gòu)造、特點(diǎn)、實(shí)用電路等幾個(gè)方面用（工程師）的話簡(jiǎn)單描述。

其結(jié)構(gòu)示意圖：

解釋1：溝道

上面圖中，下邊的p型中間一個(gè)窄長(zhǎng)條就是溝道，使得左右兩塊P型極連在一起，因此mos管導(dǎo)通后是電阻特性，因此它的一個(gè)重要參數(shù)就是導(dǎo)通電阻，選用mos管必須清楚這個(gè)參數(shù)是否符合需求。

解釋2：n型

上圖表示的是p型mos管，讀者可以依據(jù)此圖理解n型的，都是反過來(lái)即可。因此，不難理解，n型的如圖在柵極加正壓會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通，而p型的相反。

解釋3：增強(qiáng)型

相對(duì)于耗盡型，增強(qiáng)型是通過“加厚”導(dǎo)電溝道的厚度來(lái)導(dǎo)通，如圖。柵極電壓越低，則p型源、漏極的正離子就越靠近中間，n襯底的負(fù)離子就越遠(yuǎn)離柵極，柵極電壓達(dá)到一個(gè)值，叫閥值或坎壓時(shí)，由p型游離出來(lái)的正離子連在一起，形成通道，就是圖示效果。因此，容易理解，柵極電壓必須低到一定程度才能導(dǎo)通，電壓越低，通道越厚，導(dǎo)通電阻越小。由于電場(chǎng)的強(qiáng)度與距離平方成正比，因此，電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度之后，電壓下降引起的溝道加厚就不明顯了，也是因?yàn)閚型負(fù)離子的“退讓”是越來(lái)越難的。耗盡型的是事先做出一個(gè)導(dǎo)通層，用柵極來(lái)加厚或者減薄來(lái)控制源漏的導(dǎo)通。但這種管子一般不生產(chǎn)，在市面基本見不到。所以，大家平時(shí)說(shuō)mos管，就默認(rèn)是增強(qiáng)型的。

解釋4：左右對(duì)稱

圖示左右是對(duì)稱的，難免會(huì)有人問怎么區(qū)分源極和漏極呢？其實(shí)原理上，源極和漏極確實(shí)是對(duì)稱的，是不區(qū)分的。但在實(shí)際應(yīng)用中，廠家一般在源極和漏極之間連接一個(gè)（二極管），起保護(hù)作用，正是這個(gè)二極管決定了源極和漏極，這樣，封裝也就固定了，便于實(shí)用。我的老師年輕時(shí)用過不帶二極管的mos管。非常容易被靜電擊穿，平時(shí)要放在鐵質(zhì)罐子里，它的源極和漏極就是隨便接。

解釋5：金屬氧化物膜

圖中有指示，這個(gè)膜是絕緣的，用來(lái)（電氣）隔離，使得柵極只能形成電場(chǎng)，不能通過直流電，因此是用電壓控制的。在直流電氣上，柵極和源漏極是斷路。不難理解，這個(gè)膜越薄：電場(chǎng)作用越好、坎壓越小、相同柵極電壓時(shí)導(dǎo)通能力越強(qiáng)。壞處是：越容易擊穿、工藝制作難度越大而價(jià)格越貴。例如導(dǎo)通電阻在歐姆級(jí)的，1角人民幣左右買一個(gè)，而2402等在十毫歐級(jí)的，要2元多（批量買。零售是4元左右）。

解釋6：與實(shí)物的區(qū)別

上圖僅僅是原理性的，實(shí)際的元件增加了源-漏之間跨接的保護(hù)二極管，從而區(qū)分了源極和漏極。實(shí)際的元件，p型的，襯底是接正（電源）的，使得柵極預(yù)先成為相對(duì)負(fù)電壓，因此p型的管子，柵極不用加負(fù)電壓了，接地就能保證導(dǎo)通。相當(dāng)于預(yù)先形成了不能導(dǎo)通的溝道，嚴(yán)格講應(yīng)該是耗盡型了。好處是明顯的，應(yīng)用時(shí)拋開了負(fù)電壓。

解釋7：寄生（電容）

上圖的柵極通過金屬氧化物與襯底形成一個(gè)電容，越是高品質(zhì)的mos，膜越薄，寄生電容越大，經(jīng)常mos管的寄生電容達(dá)到nF級(jí)。這個(gè)參數(shù)是mos管選擇時(shí)至關(guān)重要的參數(shù)之一，必須考慮清楚。Mos管用于控制大（電流）通斷，經(jīng)常被要求數(shù)十K乃至數(shù)M的開關(guān)頻率，在這種用途中，柵極（信號(hào)）具有交流特征，頻率越高，交流成分越大，寄生電容就能通過交流電流的形式通過電流，形成柵極電流。消耗的電能、產(chǎn)生的熱量不可忽視，甚至成為主要問題。為了追求高速，需要強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)，也是這個(gè)道理。試想，弱驅(qū)動(dòng)信號(hào)瞬間變?yōu)楦唠娖?，但是為了“灌滿”寄生電容需要時(shí)間，就會(huì)產(chǎn)生上升沿變緩，對(duì)開關(guān)頻率形成重大威脅直至不能工作。

解釋8：如何工作在放大區(qū)

Mos管也能工作在放大區(qū)，而且很常見。做鏡像電流源、運(yùn)放、反饋控制等，都是利用mos管工作在放大區(qū)，由于mos管的特性，當(dāng)溝道處于似通非通時(shí)，柵極電壓直接影響溝道的導(dǎo)電能力，呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。由于柵極與源漏隔離，因此其輸入阻抗可視為無(wú)窮大，當(dāng)然，隨頻率增加阻抗就越來(lái)越小，一定頻率時(shí)，就變得不可忽視。這個(gè)高阻抗特點(diǎn)被廣泛用于運(yùn)放，運(yùn)放分析的虛連、虛斷兩個(gè)重要原則就是基于這個(gè)特點(diǎn)。這是三極管不可比擬的。

解釋9：發(fā)熱原因

Mos管發(fā)熱，主要原因之一是寄生電容在頻繁開啟關(guān)閉時(shí)，顯現(xiàn)交流特性而具有阻抗，形成電流。有電流就有發(fā)熱，并非電場(chǎng)型的就沒有電流。另一個(gè)原因是當(dāng)柵極電壓爬升緩慢時(shí)，導(dǎo)通狀態(tài)要“路過”一個(gè)由關(guān)閉到導(dǎo)通的臨界點(diǎn)，這時(shí)，導(dǎo)通電阻很大，發(fā)熱比較厲害。第三個(gè)原因是導(dǎo)通后，溝道有電阻，過主電流，形成發(fā)熱。主要考慮的發(fā)熱是第1和第3點(diǎn)。許多mos管具有結(jié)溫過高保護(hù)，所謂結(jié)溫就是金屬氧化膜下面的溝道區(qū)域溫度，一般是150攝氏度。超過此溫度，mos管不可能導(dǎo)通。溫度下降就恢復(fù)。要注意這種保護(hù)狀態(tài)的后果。

但愿上述描述能通俗的理解mos管，下面說(shuō)說(shuō)幾個(gè)約定俗成電路：

1：pmos應(yīng)用

一般用于管理電源的通斷，屬于無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)，柵極低電平就完全導(dǎo)通，高電平就完全截止。而且，柵極可以加高過電源的電壓，意味著可以用5v信號(hào)管理3v電源的開關(guān)，這個(gè)原理也用于電平轉(zhuǎn)換。

2：nmos管應(yīng)用

一般用于管理某電路是否接地，屬于無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)，柵極高電平就導(dǎo)通導(dǎo)致接地，低電平截止。當(dāng)然柵極也可以用負(fù)電壓截止，但這個(gè)好處沒什么意義。其高電平可以高過被控制部分的電源，因?yàn)闁艠O是隔離的。因此可以用5v信號(hào)控制3v系統(tǒng)的某處是否接地，這個(gè)原理也用于電平轉(zhuǎn)換。

3：放大區(qū)應(yīng)用

工作于放大區(qū)，一般用來(lái)設(shè)計(jì)反饋電路，需要的專業(yè)知識(shí)比較多，類似運(yùn)放，這里無(wú)法細(xì)說(shuō)。常用做鏡像電流源、電流反饋、電壓反饋等。至于運(yùn)放的集成應(yīng)用，我們其實(shí)不用關(guān)注。人家都做好了，看好datasheet就可以了，不用按mos管方式去考慮導(dǎo)通電阻和寄生電容。

MOS管的基本知識(shí)

現(xiàn)在的高清、液晶、等離子電視機(jī)中（開關(guān)電源）部分除了采用了（PFC）技術(shù)外，在元器件上的開關(guān)管均采用性能優(yōu)異的MOS管取代過去的大功率晶體三極管，使整機(jī)的效率、可靠性、故障率均大幅的下降。由于MOS管和大功率晶體三極管在結(jié)構(gòu)、特性有著本質(zhì)上的區(qū)別，在應(yīng)用上；（驅(qū)動(dòng)電路）也比晶體三極管復(fù)雜，致使（維修）人員對(duì)電路、故障的分析倍感困難，此文即針對(duì)這一問題，把MOS管及其應(yīng)用電路作簡(jiǎn)單介紹，以滿足維修人員需求。

一、什么是MOS管

MOS管的英文全稱叫（MOSFET）(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)，即金屬氧化物半導(dǎo)體型場(chǎng)效應(yīng)管，屬于場(chǎng)效應(yīng)管中的絕緣柵型。因此，MOS管有時(shí)被稱為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。在一般（電子）電路中，MOS管通常被用于放大電路或（開關(guān)電路）。

1、MOS管的構(gòu)造；

在一塊摻雜濃度較低的P型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，分別作為漏極D和源極S。然后在漏極和源極之間的P型半導(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅（Si02）絕緣層膜，在再這個(gè)絕緣層膜上裝上一個(gè)鋁電極，作為柵極G。這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道（NPN型）增強(qiáng)型MOS管。顯然它的柵極和其它電極間是絕緣的。圖1-1所示A、B分別是它的結(jié)構(gòu)圖和代表符號(hào)。

同樣用上述相同的方法在一塊摻雜濃度較低的N型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的P+區(qū)，及上述相同的柵極制作過程，就制成為一個(gè)P溝道（PNP型）增強(qiáng)型MOS管。圖1-2所示A、B分別是P溝道MOS管道結(jié)構(gòu)圖和代表符號(hào)。

圖1-1-A

圖1-1-B

圖1-2-A

圖1-2-B

2、MOS管的（工作原理）：圖1-3是N溝道MOS管工作原理圖；

圖1-3-A

圖1-3-B

從圖1-3-A可以看出，增強(qiáng)型MOS管的漏極D和源極S之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵-源電壓VGS=0時(shí)，即使加上漏-源電壓VDS，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒有導(dǎo)電溝道（沒有電流流過），所以這時(shí)漏極電流ID=0。

此時(shí)若在柵-源極間加上正向電壓，圖1-3-B所示，即VGS＞0，則柵極和硅襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)柵極指向P型硅襯底的電場(chǎng)，由于氧化物層是絕緣的，柵極所加電壓VGS無(wú)法形成電流，氧化物層的兩邊就形成了一個(gè)電容，VGS等效是對(duì)這個(gè)電容充電，并形成一個(gè)電場(chǎng)，隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，在這個(gè)電容的另一邊就聚集大量的電子并形成了一個(gè)從漏極到源極的N型導(dǎo)電溝道，當(dāng)VGS大于管子的開啟電壓VT（一般約為2V）時(shí)，N溝道管開始導(dǎo)通，形成漏極電流ID，我們把開始形成溝道時(shí)的柵-源極電壓稱為開啟電壓，一般用VT表示?？刂茤艠O電壓VGS的大小改變了電場(chǎng)的強(qiáng)弱，就可以達(dá)到控制漏極電流ID的大小的目的，這也是MOS管用電場(chǎng)來(lái)控制電流的一個(gè)重要特點(diǎn)，所以也稱之為場(chǎng)效應(yīng)管。

3、MOS管的特性；

上述MOS管的工作原理中可以看出，MOS管的柵極G和源極S之間是絕緣的，由于Sio2絕緣層的存在，在柵極G和源極S之間等效是一個(gè)電容存在，電壓VGS產(chǎn)生電場(chǎng)從而導(dǎo)致源極-漏極電流的產(chǎn)生。此時(shí)的柵極電壓VGS決定了漏極電流的大小，控制柵極電壓VGS的大小就可以控制漏極電流ID的大小。這就可以得出如下結(jié)論：

1）MOS管是一個(gè)由改變電壓來(lái)控制電流的器件，所以是電壓器件。

2）MOS管道輸入特性為容性特性，所以輸入阻抗極高。

4、MOS管的電壓極性和符號(hào)規(guī)則；

圖1-4-A是N溝道MOS管的符號(hào)，圖中D是漏極，S是源極，G是柵極，中間的箭頭表示襯底，如果箭頭向里表示是N溝道的MOS管，箭頭向外表示是P溝道的MOS管。

在實(shí)際MOS管生產(chǎn)的過程中襯底在出廠前就和源極連接，所以在符號(hào)的規(guī)則中；表示襯底的箭頭也必須和源極相連接，以區(qū)別漏極和源極。圖1-5-A是P溝道MOS管的符號(hào)。

MOS管應(yīng)用電壓的極性和我們普通的晶體三極管相同，N溝道的類似NPN晶體三極管，漏極D接正極，源極S接負(fù)極，柵極G正電壓時(shí)導(dǎo)電溝道建立，N溝道MOS管開始工作,如圖1-4-B所示。同樣P道的類似PNP晶體三極管，漏極D接負(fù)極，源極S接正極，柵極G負(fù)電壓時(shí)，導(dǎo)電溝道建立，P溝道MOS管開始工作,如圖1-5-B所示。

圖1-4-AN溝道MOS管符號(hào)

圖1-4-BN溝道MOS管電壓極性及襯底連接

圖1-5-AP溝道MOS管符號(hào)

圖1-5-BP溝道MOS管電壓極性及襯底連接

5、MOS管和晶體三極管相比的重要特性；

1）．場(chǎng)效應(yīng)管的源極S、柵極G、漏極D分別對(duì)應(yīng)于三極管的發(fā)射極e、基極b、集電極c，它們的作用相似，圖1-6-A所示是N溝道MOS管和NPN型晶體三極管引腳，圖1-6-B所示是P溝道MOS管和PNP型晶體三極管引腳對(duì)應(yīng)圖。

圖1-6-A圖1-6-B

2)．場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制電流器件，由VGS控制ID，普通的晶體三極管是電流控制電流器件，由IB控制IC。MOS管道放大系數(shù)是（跨導(dǎo)gm）當(dāng)柵極電壓改變一伏時(shí)能引起漏極電流變化多少安培。晶體三極管是電流放大系數(shù)（貝塔β）當(dāng)基極電流改變一毫安時(shí)能引起集電極電流變化多少。

3)．場(chǎng)效應(yīng)管柵極和其它電極是絕緣的，不產(chǎn)生電流；而三極管工作時(shí)基極電流IB決定集電極電流IC。因此場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻比三極管的輸入電阻高的多。

4)．場(chǎng)效應(yīng)管只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電；三極管有多數(shù)載流子和少數(shù)載流子兩種載流子參與導(dǎo)電，因少數(shù)載流子濃度受溫度、輻射等因素影響較大，所以場(chǎng)效應(yīng)管比三極管的溫度穩(wěn)定性好。

5)．場(chǎng)效應(yīng)管在源極未與襯底連在一起時(shí)，源極和漏極可以互換使用，且特性變化不大，而三極管的集電極與發(fā)射極互換使用時(shí)，其特性差異很大，b值將減小很多。

6)．場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小，在低噪聲放大電路的輸入級(jí)及要求信噪比較高的電路中要選用場(chǎng)效應(yīng)管。

7)．場(chǎng)效應(yīng)管和普通晶體三極管均可組成各種放大電路和開關(guān)電路，但是場(chǎng)效應(yīng)管制造工藝簡(jiǎn)單，并且又具有普通晶體三極管不能比擬的優(yōu)秀特性，在各種電路及應(yīng)用中正逐步的取代普通晶體三極管，目前的大規(guī)模和超大規(guī)模（集成電路）中，已經(jīng)廣泛的采用場(chǎng)效應(yīng)管。

6、在開關(guān)電源電路中；大功率MOS管和大功率晶體三極管相比MOS管的優(yōu)點(diǎn)；

1)、輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率?。河捎跂旁粗g是二氧化硅（SiO2）絕緣層，柵源之間的直流電阻基本上就是SiO2絕緣電阻，一般達(dá)100MΩ左右，交流輸入阻抗基本上就是輸入電容的容抗。由于輸入阻抗高，對(duì)激勵(lì)信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生壓降，有電壓就可以驅(qū)動(dòng)，所以驅(qū)動(dòng)功率極?。`敏度高）。一般的晶體三極管必需有基極電壓Vb，再產(chǎn)生基極電流Ib，才能驅(qū)動(dòng)集電極電流的產(chǎn)生。晶體三極管的驅(qū)動(dòng)是需要功率的（Vb×Ib）。

2）、開關(guān)速度快:MOSFET的開關(guān)速度和輸入的容性特性的有很大關(guān)系，由于輸入容性特性的存在，使開關(guān)的速度變慢，但是在作為開關(guān)運(yùn)用時(shí)，可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻，加快開關(guān)速度（輸入采用了后述的“灌流電路”驅(qū)動(dòng)，加快了容性的充放電的時(shí)間）。MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速，開關(guān)時(shí)間在10—100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，普通的晶體三極管由于少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，使開關(guān)總有滯后現(xiàn)象，影響開關(guān)速度的提高（目前采用MOS管的開關(guān)電源其工作頻率可以輕易的做到100K/S～150K/S,這對(duì)于普通的大功率晶體三極管來(lái)說(shuō)是難以想象的）。

3）、無(wú)二次擊穿；由于普通的功率晶體三極管具有當(dāng)溫度上升就會(huì)導(dǎo)致集電極電流上升（正的溫度～電流特性）的現(xiàn)象，而集電極電流的上升又會(huì)導(dǎo)致溫度進(jìn)一步的上升，溫度進(jìn)一步的上升，更進(jìn)一步的導(dǎo)致集電極電流的上升這一惡性循環(huán)。而晶體三極管的耐壓VCEO隨管溫度升高是逐步下降，這就形成了管溫繼續(xù)上升、耐壓繼續(xù)下降最終導(dǎo)致晶體三極管的擊穿，這是一種導(dǎo)致電視機(jī)開關(guān)電源管和行輸出管損壞率占95%的破環(huán)性的熱電擊穿現(xiàn)象，也稱為二次擊穿現(xiàn)象。MOS管具有和普通晶體三極管相反的溫度～電流特性，即當(dāng)管溫度（或環(huán)境溫度）上升時(shí)，溝道電流IDS反而下降。例如；一只IDS=10A的MOSFET開關(guān)管，當(dāng)VGS控制電壓不變時(shí)，在250C溫度下IDS=3A，當(dāng)（芯片）溫度升高為1000C時(shí)，IDS降低到2A，這種因溫度上升而導(dǎo)致溝道電流IDS下降的負(fù)溫度電流特性，使之不會(huì)產(chǎn)生惡性循環(huán)而熱擊穿。也就是MOS管沒有二次擊穿現(xiàn)象，可見采用MOS管作為開關(guān)管，其開關(guān)管的損壞率大幅度的降低，近兩年電視機(jī)開關(guān)電源采用MOS管代替過去的普通晶體三極管后，開關(guān)管損壞率大大降低也是一個(gè)極好的證明。

4）、MOS管導(dǎo)通后其導(dǎo)通特性呈純阻性；

普通晶體三極管在飽和導(dǎo)通是，幾乎是直通，有一個(gè)極低的壓降，稱為飽和壓降，既然有一個(gè)壓降，那么也就是；普通晶體三極管在飽和導(dǎo)通后等效是一個(gè)阻值極小的電阻，但是這個(gè)等效的電阻是一個(gè)非線性的電阻（電阻上的電壓和流過的電流不能符合歐姆定律），而MOS管作為開關(guān)管應(yīng)用，在飽和導(dǎo)通后也存在一個(gè)阻值極小的電阻，但是這個(gè)電阻等效一個(gè)線性電阻，其電阻的阻值和兩端的電壓降和流過的電流符合歐姆定律的關(guān)系，電流大壓降就大，電流小壓降就小，導(dǎo)通后既然等效是一個(gè)線性元件，線性元件就可以并聯(lián)應(yīng)用，當(dāng)這樣兩個(gè)電阻并聯(lián)在一起，就有一個(gè)自動(dòng)電流平衡的作用，所以MOS管在一個(gè)管子功率不夠的時(shí)候，可以多管并聯(lián)應(yīng)用，且不必另外增加平衡措施（非線性器件是不能直接并聯(lián)應(yīng)用的）。

MOS管和普通的晶體三極管相比，有以上四項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，就足以使MOS管在開關(guān)運(yùn)用狀態(tài)下完全取代普通的晶體三極管。目前的技術(shù)MOS管道VDS能做到1000V，只能作為開關(guān)電源的開關(guān)管應(yīng)用，隨著制造工藝的不斷進(jìn)步，VDS的不斷提高，取代顯像管電視機(jī)的行輸出管也是近期能實(shí)現(xiàn)的。

二、灌流電路

1、MOS管作為開關(guān)管應(yīng)用的特殊驅(qū)動(dòng)電路；灌流電路

MOS管和普通晶體三極管相比，有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是在作為大功率開關(guān)管應(yīng)用時(shí)，由于MOS管具有的容性輸入特性，MOS管的輸入端，等于是一個(gè)小電容器，輸入的開關(guān)激勵(lì)信號(hào)，實(shí)際上是在對(duì)這個(gè)電容進(jìn)行反復(fù)的充電、放電的過程，在充放電的過程中，使MOS管道導(dǎo)通和關(guān)閉產(chǎn)生了滯后，使“開”與“關(guān)”的過程變慢，這是開關(guān)元件不能允許的（功耗增加，燒壞開關(guān)管），如圖所示，在圖2-1中A方波為輸入端的激勵(lì)波形，電阻R為激勵(lì)信號(hào)內(nèi)阻，電容C為MOS管輸入端等效電容，激勵(lì)波形A加到輸入端是對(duì)等效電容C的充放電作用，使輸入端實(shí)際的電

圖2-1

壓波形變成B的畸變波形，導(dǎo)致開關(guān)管不能正常開關(guān)工作而損壞，解決的方法就是，只要R足夠的小，甚至沒有阻值，激勵(lì)信號(hào)能提供足夠的電流，就能使等效電容迅速的充電、放電，這樣MOS開關(guān)管就能迅速的“開”、“關(guān)”，保證了正常工作。由于激勵(lì)信號(hào)是有內(nèi)阻的，信號(hào)的激勵(lì)電流也是有限度，我們?cè)谧鳛殚_關(guān)管的MOS管的輸入部分，增加一個(gè)減少內(nèi)阻、增加激勵(lì)電流的“灌流電路”來(lái)解決此問題，如圖2-2所示。

圖2-2

在圖2-2中；在作為開關(guān)應(yīng)用的MOS管Q3的柵極S和激勵(lì)信號(hào)之間增加Q1、Q2兩只開關(guān)管，此兩只管均為普通的晶體三極管，兩只管接成串聯(lián)連接，Q1為NPN型Q2為PNP型，基極連接在一起（實(shí)際上是一個(gè)PNP、NPN互補(bǔ)的射極跟隨器），兩只管等效是兩只在方波激勵(lì)信號(hào)控制下輪流導(dǎo)通的開關(guān)，如圖2-2-A、圖2-2-B

當(dāng)激勵(lì)方波信號(hào)的正半周來(lái)到時(shí)；晶體三極管Q1（NPN）導(dǎo)通、Q2（PNP）截止，VCC經(jīng)過Q1導(dǎo)通對(duì)MOS開關(guān)管Q3的柵極充電，由于Q1是飽和導(dǎo)通，VCC等效是直接加到MOS管Q3的柵極，瞬間充電電流極大，充電時(shí)間極短，保證了MOS開關(guān)管Q3的迅速的“開”，如圖2-2-A所示（圖2-2-A和圖2-2-B中的電容C為MOS管柵極S的等效電容）。

當(dāng)激勵(lì)方波信號(hào)的負(fù)半周來(lái)到時(shí)；晶體三極管Q1（NPN）截止、Q2（PNP）導(dǎo)通，MOS開關(guān)管Q3的柵極所充的電荷，經(jīng)過Q2迅速放電，由于Q2是飽和導(dǎo)通，放電時(shí)間極短，保證了MOS開關(guān)管Q3的迅速的“關(guān)”，如圖2-2-B所示。

圖2-2-A

圖2-2-B

由于MOS管在制造工藝上柵極S的引線的電流容量有一定的限度，所以在Q1在飽和導(dǎo)通時(shí)VCC對(duì)MOS管柵極S的瞬時(shí)充電電流巨大，極易損壞MOS管的輸入端，為了保護(hù)MOS管的安全，在具體的電路中必須采取措施限制瞬時(shí)充電的電流值，在柵極充電的電路中串接一個(gè)適當(dāng)?shù)某潆娤蘖麟娮鑂，如圖2-3-A所示。充電限流電阻R的阻值的選取；要根據(jù)MOS管的輸入電容的大小，激勵(lì)脈沖的頻率及灌流電路的VCC（VCC一般為12V）的大小決定一般在數(shù)十姆歐到一百歐姆之間。

圖2-3-A

圖2-3-B

由于充電限流電阻的增加，使在激勵(lì)方波負(fù)半周時(shí)Q2導(dǎo)通時(shí)放電的速度受到限制（充電時(shí)是VCC產(chǎn)生電流，放電時(shí)是柵極所充的電壓VGS產(chǎn)生電流，VGS遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于VCC,R的存在大大的降低了放電的速率）使MOS管的開關(guān)特性變壞，為了使R阻值在放電時(shí)不影響迅速放電的速率，在充電限流電阻R上并聯(lián)一個(gè)形成放電通路的二極管D，圖2-3-B所示。此二極管在放電時(shí)導(dǎo)通，在充電時(shí)反偏截止。這樣增加了充電限流電阻和放電二極管后，既保證了MOS管的安全，又保證了MOS管，“開”與“關(guān)”的迅速動(dòng)作。

2、另一種灌流電路

灌流電路的另外一種形式，對(duì)于某些功率較小的開關(guān)電源上采用的MOS管往往采用了圖2-4-A的電路方式。

圖2-4-A

圖2-4-B

圖中D為充電二極管，Q為放電三極管（PNP）。工作過程是這樣，當(dāng)激勵(lì)方波正半周時(shí)，D導(dǎo)通，對(duì)MOS管輸入端等效電容充電(此時(shí)Q截止)，在當(dāng)激勵(lì)方波負(fù)半周時(shí)，D截止，Q導(dǎo)通，MOS管柵極S所充電荷，通過Q放電，MOS管完成“開”與“關(guān)”的動(dòng)作，如圖2-4-B所示。此電路由激勵(lì)信號(hào)直接“灌流”，激勵(lì)信號(hào)源要求內(nèi)阻較低。該電路一般應(yīng)用在功率較小的開關(guān)電源上。

3、MOS管開關(guān)應(yīng)用必須設(shè)置泄放電阻；

MOS管在開關(guān)狀態(tài)工作時(shí)；Q1、Q2是輪流導(dǎo)通，MOS管柵極是在反復(fù)充電、放電的狀態(tài)，如果在此時(shí)關(guān)閉電源，MOS管的柵極就有兩種狀態(tài)；一個(gè)狀態(tài)是；放電狀態(tài)，柵極等效電容沒有電荷存儲(chǔ)，一個(gè)狀態(tài)是；充電狀態(tài)，柵極等效電容正好處于電荷充滿狀態(tài)，圖2-5-A所示。雖然電源切斷，此時(shí)Q1、Q2也都處于斷開狀態(tài)，電荷沒有釋放的回路，MOS管柵極的電場(chǎng)仍然存在（能保持很長(zhǎng)時(shí)間），建立導(dǎo)電溝道的條件并沒有消失。這樣在再次開機(jī)瞬間，由于激勵(lì)信號(hào)還沒有建立，而開機(jī)瞬間MOS管的漏極電源(VDS)隨機(jī)提供,在導(dǎo)電溝道的作用下，MOS管即刻產(chǎn)生不受控的巨大漏極電流ID，引起MOS管燒壞。為了避免此現(xiàn)象產(chǎn)生，在MOS管的柵極對(duì)源極并接一只泄放電阻R1，如圖2-5-B所示，關(guān)機(jī)后柵極存儲(chǔ)的電荷通過R1迅速釋放，此電阻的阻值不可太大，以保證電荷的迅速釋放，一般在5K～數(shù)10K左右。

圖2-5-A

圖2-5-B

灌流電路主要是針對(duì)MOS管在作為開關(guān)管運(yùn)用時(shí)其容性的輸入特性，引起“開”、“關(guān)”動(dòng)作滯后而設(shè)置的電路，當(dāng)MOS管作為其他用途；例如線性放大等應(yīng)用，就沒有必要設(shè)置灌流電路。

三、大功率MOS管開關(guān)電路。實(shí)例應(yīng)用（電路分析）

初步的了解了以上的關(guān)于MOS管的一些知識(shí)后，一般的就可以簡(jiǎn)單的分析，采用MOS管開關(guān)電源的電路了。

1、（三星）等離子V2屏開關(guān)電源PFC部分激勵(lì)電路分析；

圖3-1所示是三星V2屏開關(guān)電源，PFC電源部分電原理圖，圖3-2所示是其等效電路框圖。

圖3-1

圖3-2

圖3-1所示；是三星V2屏等離子開關(guān)電源的PFC激勵(lì)部分。從圖中可以看出；這是一個(gè)并聯(lián)開關(guān)電源L1是儲(chǔ)能電感，D10是這個(gè)開關(guān)電源的整流二極管，Q1、Q2是開關(guān)管，為了保證PFC開關(guān)電源有足夠的功率輸出，采用了兩只MOS管Q1、Q2并聯(lián)應(yīng)用（圖3-2所示；是該并聯(lián)開關(guān)電源等效電路圖，圖中可以看出該并聯(lián)開關(guān)電源是加在整流橋堆和濾波電容C5之間的），圖中Q3、Q4是灌流激勵(lì)管，Q3、Q4的基極輸入開關(guān)激勵(lì)信號(hào)，VCC-S-R是Q3、Q4的VCC供電(22.5V)。兩只開關(guān)管Q1、Q2的柵極分別有各自的充電限流電阻和放電二極管，R16是Q2的在激烈信號(hào)為正半周時(shí)的對(duì)Q2柵極等效電容充電的限流電阻，D7是Q2在激烈信號(hào)為負(fù)半周時(shí)的Q2柵極等效電容放電的放電二極管，同樣R14、D6則是Q1的充電限流電阻和放電的放電二極管。R17和R18是Q1和Q2的關(guān)機(jī)柵極電荷泄放電阻。D9是開機(jī)瞬間浪涌電流分流二極管。

2、三星等離子V4屏開關(guān)電源PFC部分激勵(lì)電路分析；

圖3-3所示；是三星V4屏開關(guān)電源PFC激勵(lì)部分電原理圖，可以看出該V4屏電路激勵(lì)部分原理相同于V2屏。只是在每一只大功率MOS開關(guān)管的柵極泄放電阻（R209、R206）上又并聯(lián)了過壓保護(hù)二極管；ZD202、ZD201及ZD204、ZD203

圖3-3

3、海信液晶開關(guān)電源PFC部分激勵(lì)電路分析，圖3-4所示；

海信液晶電視32寸～46寸均采用該開關(guān)電源，電源采用了復(fù)合集成電路SMA—E1017（PFC和PWM共用一塊復(fù)合激勵(lì)集成電路），同樣該P(yáng)FC開關(guān)電源部分也是一個(gè)并聯(lián)的開關(guān)電源，圖3-4所示。（TE）001是儲(chǔ)能電感、DE004是開關(guān)電源的整流管、QE001、QE002是兩只并聯(lián)的大功率MOS開關(guān)管。該集成電路的PFCOUTPUT端子是激勵(lì)輸出，，RE008、RE009、RE010、VE001、DE002、RE011、DE003組成QE001和QE002的灌流電路。

圖3-4

灌流電路的等效電路如圖3-5所示，從圖中，可以清晰的看出該灌流電路的原理及各個(gè)元件的作用。

從等效電路圖來(lái)分析，集成電路的激勵(lì)輸出端（PFCOUTPUT端子），輸出方波的正半周時(shí)DE002導(dǎo)通，經(jīng)過RE008、RE010對(duì)MOS開關(guān)管QE001和QE002的柵極充電，當(dāng)激勵(lì)端為負(fù)半周時(shí)，DE002截止，由于晶體三極管VE001是PNP型，負(fù)半周信號(hào)致使VE001導(dǎo)通，此時(shí)；QE001和QE002的柵極所充電荷經(jīng)過VE001放電，MOS管完成“開”、“關(guān)”周期的工作。從圖3-5的分析中，RE011作用是充電的限流電阻，而在放電時(shí)由于VE001的存在和導(dǎo)通，已經(jīng)建立了放電的回路，DE003的作用是加速VE001的導(dǎo)通，開關(guān)管關(guān)閉更加迅速。

圖3-4所示原理圖是PFC開關(guān)電源及PWM開關(guān)電源的電原理圖，該電路中的集成電路MSA-E1017是把PFC部分的激勵(lì)控制和PWM部分激勵(lì)控制復(fù)合在一塊集成電路中，圖3-6是原理框圖，圖中的QE003及TE002是PWM開關(guān)電源的開關(guān)管及開關(guān)變壓器，RE050是QE003的充電限流電阻、DE020是其放電二極管。

圖3-5

圖3-6

四、MOS管的防靜電保護(hù)

MOS管是屬于絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，柵極是無(wú)直流通路，輸入阻抗極高，極易引起靜電荷聚集，產(chǎn)生較高的電壓將柵極和源極之間的絕緣層擊穿。早期生產(chǎn)的MOS管大都沒有防靜電的措施，所以在保管及應(yīng)用上要非常小心，特別是功率較小的MOS管，由于功率較小的MOS管輸入電容比較小，接觸到靜電時(shí)產(chǎn)生的電壓較高，容易引起靜電擊穿。而近期的增強(qiáng)型大功率MOS管則有比較大的區(qū)別，首先由于功能較大輸入電容也比較大，這樣接觸到靜電就有一個(gè)充電的過程，產(chǎn)生的電壓較小，引起擊穿的可能較小，再者現(xiàn)在的大功率MOS管在內(nèi)部的柵極和源極有一個(gè)保護(hù)的穩(wěn)壓管DZ（圖4-1所示）,把靜電嵌位于保護(hù)穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值以下，有效的保護(hù)了柵極和源極的絕緣層，不同功率、不同型號(hào)的MOS管其保護(hù)穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值是不同的。雖然MOS管內(nèi)部有了保護(hù)措施，我們操作時(shí)也應(yīng)按照防靜電的操作規(guī)程進(jìn)行，這是一個(gè)合格的維修員應(yīng)該具備的。

圖4-1

五、MOS管的（檢測(cè)）與代換：

在修理電視機(jī)及電器設(shè)備時(shí)，會(huì)遇到各種元器件的損壞，MOS管也在其中，這就是我們的維修人員如何利用常用的（萬(wàn)用表）來(lái)判斷MOS管的好壞、優(yōu)劣。在更換MOS管是如果沒有相同廠家及相同型號(hào)時(shí)，如何代換的問題。

1、MOS管的測(cè)試：

作為一般的電器電視機(jī)維修人員在測(cè)量晶體三極管或二極管時(shí)，一般是采用普通的萬(wàn)用表來(lái)判斷三極管或者二極管的好壞，雖然對(duì)所判斷的三極管或二極管的電氣參數(shù)沒法確認(rèn)，但是只要方法正確對(duì)于確認(rèn)晶體三極管的“好”與“壞”還是沒有問題的。同樣MOS管也可以應(yīng)用萬(wàn)用表來(lái)判斷其“好”與“壞”,從一般的維修來(lái)說(shuō)，也可以滿足需求了。

檢測(cè)必須采用指針式萬(wàn)用表（數(shù)字表是不適宜測(cè)量半導(dǎo)體器件的）。對(duì)于功率型MOSFET開關(guān)管都屬N溝道增強(qiáng)型，各生產(chǎn)廠的產(chǎn)品也幾乎都采用相同的TO-220F封裝形式（指用于開關(guān)電源中功率為50—200W的場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管），其三個(gè)電極排列也一致，即將三只引腳向下，打印型號(hào)面向自巳，左側(cè)引腳為柵極，右測(cè)引腳為源極，中間引腳為漏極如圖5-1所示。

圖5-1

1）萬(wàn)用表及相關(guān)的準(zhǔn)備：

首先在測(cè)量前應(yīng)該會(huì)使用萬(wàn)用表，特別是歐姆檔的應(yīng)用，要了解歐姆擋才會(huì)正確應(yīng)用歐姆擋來(lái)測(cè)量晶體三極管及MOS管（現(xiàn)在很多的從事修理人員，不會(huì)使用萬(wàn)用表，特別是萬(wàn)用表的歐姆擋，這絕不是危言聳聽，問問他？他知道歐姆擋的R×1R×10R×100R×1KR×10K，在表筆短路時(shí)，流過表筆的電流分別有多大嗎？這個(gè)電流就是流過被測(cè)元件的電流。他知道歐姆擋在表筆開路時(shí)表筆兩端的電壓有多大嗎？這就是在測(cè)量時(shí)被測(cè)元件在測(cè)量時(shí)所承受的電壓）關(guān)于正確使用萬(wàn)用表歐姆擋的問題，可以參閱可以參閱“您會(huì)用萬(wàn)用表的歐姆擋測(cè)量二極管、三極管嗎？”“可以參閱本博客“您會(huì)用萬(wàn)用表的歐姆擋測(cè)量二極管、三極管嗎？”一文，因篇幅問題這里不再贅述。

用萬(wàn)用表的歐姆擋的歐姆中心刻度不能太大，最好小于12Ω（500型表為12Ω），這樣在R×1擋可以有較大的電流，對(duì)于PN結(jié)的正向特性判斷比較準(zhǔn)確。萬(wàn)用表R×10K擋內(nèi)部的電池最好大于9V，這樣在測(cè)量PN結(jié)反相漏電流時(shí)比較準(zhǔn)確，否則漏電也測(cè)不出來(lái)。

圖5-2

現(xiàn)在由于生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，出廠的篩選、檢測(cè)都很嚴(yán)格，我們一般判斷只要判斷MOS管不漏電、不擊穿短路、內(nèi)部不斷路、能放大就可以了，方法極為簡(jiǎn)單：

采用萬(wàn)用表的R×10K擋；R×10K擋內(nèi)部的電池一般是9V加1.5V達(dá)到10.5V這個(gè)電壓一般判斷PN結(jié)點(diǎn)反相漏電是夠了，萬(wàn)用表的紅表筆是負(fù)電位（接內(nèi)部電池的負(fù)極），萬(wàn)用表的黑表筆是正電位（接內(nèi)部電池的正極），圖5-2所示。

2）測(cè)試步驟

把紅表筆接到MOS管的源極S；把黑表筆接到MOS管的漏極D，此時(shí)表針指示應(yīng)該為無(wú)窮大，如圖5-3所示。如果有歐姆指數(shù)，說(shuō)明被測(cè)管有漏電現(xiàn)象，此管不能用。

圖5-3

保持上述狀態(tài)；此時(shí)用一只100K～200K電阻連接于柵極和漏極，如圖5-4所示；這時(shí)表針指示歐姆數(shù)應(yīng)該越小越好，一般能指示到0歐姆，這時(shí)是正電荷通過100K電阻對(duì)MOS管的柵極充電，產(chǎn)生柵極電場(chǎng)，由于電場(chǎng)產(chǎn)生導(dǎo)致導(dǎo)電溝道致使漏極和源極導(dǎo)通，所以萬(wàn)用表指針偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度大（歐姆指數(shù)?。┳C明放電性能好。

圖5-4

此時(shí)在圖5-4的狀態(tài)；再把連接的電阻移開，這時(shí)萬(wàn)用表的指針仍然應(yīng)該是MOS管導(dǎo)通的指數(shù)不變，如圖5-5所示。雖然電阻拿開，但是因?yàn)殡娮鑼?duì)柵極所充的電荷并沒有消失，柵極電場(chǎng)繼續(xù)維持，內(nèi)部導(dǎo)電溝道仍然保持，這就是絕緣柵型MOS管的特點(diǎn)。如果電阻拿開表針會(huì)慢慢的逐步的退回到高阻甚至退回到無(wú)窮大，要考慮該被測(cè)管柵極漏電。

圖5-5

這時(shí)用一根導(dǎo)線，連接被測(cè)管的柵極和源極，萬(wàn)用表的指針立即返回到無(wú)窮大，如圖5-6所示。導(dǎo)線的連接使被測(cè)MOS管，柵極電荷釋放，內(nèi)部電場(chǎng)消失；導(dǎo)電溝道也消失，所以漏極和源極之間電阻又變成無(wú)窮大。

圖5-6

2、MOS管的更換

在修理電視機(jī)及各種電器設(shè)備時(shí)，遇到元器件損壞應(yīng)該采用相同型號(hào)的元件進(jìn)行更換。但是，有時(shí)相同的元件手邊沒有，就要采用其他型號(hào)的進(jìn)行代換，這樣就要考慮到各方面的性能、參數(shù)、外形尺寸等，例如電視的里面的行輸出管，只要考慮耐壓、電流、功率一般是可以進(jìn)行代換的（行輸出管外觀尺寸幾乎相同），而且功率往往大一些更好。對(duì)于MOS管代換雖然也是這一原則，最好是原型號(hào)的最好，特別是不要追求功率要大一些，因?yàn)楣β蚀螅惠斎腚娙菥痛?，換了后和激勵(lì)電路就不匹配了，激勵(lì)灌流電路的充電限流電阻的阻值的大小和MOS管的輸入電容是有關(guān)系的，選用功率大的盡管容量大了，但輸入電容也就大了，激勵(lì)電路的配合就不好了，這反而會(huì)使MOS管的開、關(guān)性能變壞。所示代換不同型號(hào)的MOS管，要考慮到其輸入電容這一參數(shù)。例如有一款42寸液晶電視的背光（高壓）板損壞，經(jīng)過檢查是內(nèi)部的大功率MOS管損壞，因?yàn)闊o(wú)原型號(hào)的代換，就選用了一個(gè)，電壓、電流、功率均不小于原來(lái)的MOS管替換，結(jié)果是背光管出現(xiàn)連續(xù)的閃爍（啟動(dòng)困難），最后還是換上原來(lái)一樣型號(hào)的才解決問題。

檢測(cè)到MOS管損壞后，更換時(shí)其周邊的灌流電路的元件也必須全部更換，因?yàn)樵揗OS管的損壞也可能是灌流電路元件的欠佳引起MOS管損壞。即便是MOS管本身原因損壞，在MOS管擊穿的瞬間，灌流電路元件也受到傷害，也應(yīng)該更換。就像我們有很多高明的維修師傅在修理A3開關(guān)電源時(shí)；只要發(fā)現(xiàn)開關(guān)管擊穿，就也把前面的2SC3807激勵(lì)管一起更換一樣道理（盡管2SC3807管，用萬(wàn)用表測(cè)量是好的）。

另外“工欲善其事必先利其器”準(zhǔn)備一本MOS管手冊(cè)、一塊好的萬(wàn)用表（歐姆擋中心刻度12歐或更小）、一套好的工具是必須的。

下面我們看看，靜電為什么能擊穿MOS管

其實(shí)MOS管一個(gè)（ESD）敏感器件,它本身的輸入電阻很高，而柵-源極間電容又非常小，所以極易受外界電磁場(chǎng)或靜電的感應(yīng)而帶電,又因在靜電較強(qiáng)的場(chǎng)合難于泄放電荷，容易引起靜電擊穿。

靜電擊穿有兩種方式：

一是電壓型，即柵極的薄氧化層發(fā)生擊穿，形成針孔，使柵極和源極間短路，或者使柵極和漏極間短路；

二是功率型，即金屬化薄膜鋁條被熔斷，造成柵極開路或者是源極開路。

現(xiàn)在的mos管沒有那么容易被擊穿，尤其是是大功率的vmos,主要是不少都有二極管保護(hù)。vmos柵極電容大，感應(yīng)不出高壓。若是碰上3DO型的mos管冬天不帶防靜電環(huán)試試，基本上摸一個(gè)掛一個(gè)。

與干燥的北方不同，南方潮濕不易產(chǎn)生靜電。還有就是現(xiàn)在大多數(shù)CMOS器件內(nèi)部已經(jīng)增加了IO口保護(hù)。但用手直接接觸CMOS器件管腳不是好習(xí)慣。至少使管腳可焊性變差。

靜電放電形成的是短時(shí)大電流，放電脈沖的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于器件散熱的時(shí)間常數(shù)。因此，當(dāng)靜電放電電流通過面積很小的pn結(jié)或肖特基結(jié)時(shí)，將產(chǎn)生很大的瞬間功率密度，形成局部過熱，有可能使局部結(jié)溫達(dá)到甚至超過材料的本征溫度(如硅的熔點(diǎn)1415℃)，使結(jié)區(qū)局部或多處熔化導(dǎo)致pn結(jié)短路，器件徹底失效。這種失效的發(fā)生與否，主要取決于器件內(nèi)部區(qū)域的功率密度，功率密度越小，說(shuō)明器件越不易受到損傷。

反偏pn結(jié)比正偏pn結(jié)更容易發(fā)生熱致失效，在反偏條件下使結(jié)損壞所需要的能量只有正偏條件下的十分之一左右。這是因?yàn)榉雌珪r(shí)，大部分功率消耗在結(jié)區(qū)中心，而正偏時(shí)，則多消耗在結(jié)區(qū)外的體電阻上。對(duì)于雙極器件，通常發(fā)射結(jié)的面積比其它結(jié)的面積都小，而且結(jié)面也比其它結(jié)更靠近表面，所以常常觀察到的是發(fā)射結(jié)的退化。此外，擊穿電壓高于100V或漏電流小于1nA的pn結(jié)(如JFET的柵結(jié))，比類似尺寸的常規(guī)pn結(jié)對(duì)靜電放電更加敏感。

所有的東西是相對(duì)的，不是絕對(duì)的，MOS管只是相對(duì)其它的器件要敏感些，ESD有一個(gè)很大的特點(diǎn)就是隨機(jī)性，并不是沒有碰到MOS管都能夠把它擊穿。另外，就算是產(chǎn)生ESD，也不一定會(huì)把管子擊穿。

靜電的基本物理特征為：

(1)有吸引或排斥的力量;

(2)有電場(chǎng)存在，與大地有電位差;

(3)會(huì)產(chǎn)生放電電流。