從實(shí)用的角度聊聊MOS管

說起MOS管，有些人的腦子里可能是一團(tuán)漿糊。

大部分的教材都會(huì)告訴你長(zhǎng)長(zhǎng)的一段話：MOS管全稱金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，英文名Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，屬于絕緣柵極場(chǎng)效晶體管，以硅片為秤體，利用擴(kuò)散工藝制作.......有N溝道和P溝道兩個(gè)型。不僅如此，它還有兩個(gè)兄弟，分別是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管以及晶體場(chǎng)效應(yīng)管.......面對(duì)這么大一段話，我不知道你有沒有搞明白，反正我大學(xué)里是完全沒有搞明白，學(xué)了一個(gè)學(xué)期就學(xué)了個(gè)寂寞。那么，為什么這些教材要這么的反人類，他們難道就不能好好寫說人話嗎？我大概分析了一下，因?yàn)橥槐窘滩乃枰鎸?duì)不同專業(yè)的學(xué)生，所以教材最重要的是嚴(yán)謹(jǐn)。和全面相比是不是通俗易懂就沒有那么重要了。而且一般的教材也不會(huì)告訴你學(xué)了有什么用，這就導(dǎo)致了在學(xué)習(xí)中你很容易迷失在這些概念中，抓不到重點(diǎn)。那本文呢，我想根據(jù)自己的工作學(xué)習(xí)經(jīng)歷，拋開書本上這些教條的框架，從應(yīng)用側(cè)出發(fā)來給大家介紹一下MOS管里面最常見的，也是最容易使用的一種：增強(qiáng)型NMOS管，簡(jiǎn)稱NMOS。當(dāng)你熟悉了這個(gè)NMOS的使用之后，再回過頭去看這個(gè)教材上的內(nèi)容，我相信就會(huì)有不同的體會(huì)了。

NMOS的用法首先來看這么一張簡(jiǎn)單的圖（圖1），我們可以用手去控制這個(gè)開關(guān)的開合，以此來控制這個(gè)燈光的亮滅。

圖1那如果我們想要用Arduino或者單片機(jī)去控制這個(gè)燈泡的話，就需要使用MOS管來替換掉這個(gè)開關(guān)了。為了更加符合我們工程的實(shí)際使用習(xí)慣呢，我們需要把這張圖稍微轉(zhuǎn)換一下，就像如圖2這樣子。

圖2那這兩張圖是完全等價(jià)的，我們可以看到MOS管是有三個(gè)端口，也就是有三個(gè)引腳，分別是GATE、DRAIN和SOURCE。至于為啥這么叫并不重要，只要記住他們分別簡(jiǎn)稱G、D、S就可以。圖3我們把單片機(jī)的一個(gè)IO口接到MOS管的gate端口，就可以控制這個(gè)燈泡的亮滅了。當(dāng)然別忘了供電。當(dāng)這個(gè)單片機(jī)的IO口輸出為高的時(shí)候，NMOS就等效為這個(gè)被閉合的開關(guān)，指示燈光就會(huì)被打開；那輸出為低的時(shí)候呢，這個(gè)NMOS就等效為這個(gè)開關(guān)被松開了，那此時(shí)這個(gè)燈光就被關(guān)閉，是不很簡(jiǎn)單。那如果我們不停的切換這個(gè)開關(guān)，那燈光就會(huì)閃爍。如果切換的這個(gè)速度再快一點(diǎn)，因?yàn)槿搜鄣囊曈X暫留效應(yīng)，燈光就不閃爍了。此時(shí)我們還能通過調(diào)節(jié)這個(gè)開關(guān)的時(shí)間來調(diào)光，這就是所謂的PWM波調(diào)光，以上就是MOS管最經(jīng)典的用法，它實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的IO口控制一個(gè)功率器件。當(dāng)然你完全可以把燈泡替換成其他的器件。器件比如說像水泵、電機(jī)、電磁鐵這樣的東西。

圖4：PWM波調(diào)光

如何選擇NMOS明白了NMOS的用法之后呢，我們來看一下要如何選擇一個(gè)合適的NMOS，也就是NMOS是如何選型的。那對(duì)于一個(gè)初學(xué)者來說，有四個(gè)比較重要的參數(shù)需要來關(guān)注一下。第一個(gè)是封裝，第二個(gè)是Vgs(th)，第三個(gè)是Rds(on)上，第四個(gè)是Cgs。封裝比較簡(jiǎn)單，它指的就是一個(gè)MOS管這個(gè)外形和尺寸的種類也有很多。一般來說封裝越大，它能承受的電流也就越大。為了搞明白另外三個(gè)參數(shù)呢，我們先要來介紹一下NMOS的等效模型。圖5：NMOS等效模型MOS其實(shí)可以看成是一個(gè)由電壓控制的電阻。這個(gè)電壓指的是G、S的電壓差，電阻指的是D、S之間的電阻。這個(gè)電阻的大小會(huì)隨著G、S電壓的變化而變化。當(dāng)然它們不是線性對(duì)應(yīng)的關(guān)系，實(shí)際的關(guān)系差不多像這樣的，橫坐標(biāo)是G、S電壓差。圖6：Rds與Vgs關(guān)系圖縱坐標(biāo)是電阻的值，當(dāng)G、S的電壓小于一個(gè)特定值的時(shí)候呢，電阻基本上是無窮大的。然后這個(gè)電壓值大于這個(gè)特定值的時(shí)候，電阻就接近于零，至于說等于這個(gè)值的時(shí)候會(huì)怎么樣，我們先不用管這個(gè)臨界的電壓值，我們稱之為Vgs(th)，也就是打開MOS管需要的G、S電壓，這是每一個(gè)MOS管的固有屬性，我們可以在MOS管的數(shù)據(jù)手冊(cè)里面找到它。圖7：MOS管數(shù)據(jù)手冊(cè)顯然，Vgs(th)一定要小于這個(gè)高電平的電壓值，否則就沒有辦法被正常的打開。所以在你選擇這個(gè)MOS管的時(shí)候，如果你的高電平是對(duì)應(yīng)的5V，那么選3V左右的Vgs(th)是比較合適的。太小的話會(huì)因?yàn)楦蓴_而誤觸發(fā)，太大的話又打不開這個(gè)MOS管。接下來，我們?cè)賮砜纯碞MOS的第二個(gè)重要參數(shù)Rdson，剛才有提到NMOS被完全打開的時(shí)候，它的電阻接近于零。但是無論多小，它總歸是有一個(gè)電阻值的，這就是所謂的Rds(on)。它指的是NMOS被完全打開之后，D、S之間的電阻值。同樣的你也可以在數(shù)據(jù)手冊(cè)上找到它。這個(gè)電阻值當(dāng)然是越小越好。越小的話呢，它分壓分的少，而且發(fā)熱也相對(duì)比較低。但實(shí)際情況一般Rds(on)越小，這個(gè)NMOS的價(jià)格就越高，而且一般對(duì)應(yīng)的體積也會(huì)比較大。所以還是要量力而行，選擇恰好合適。最后說一下Cgs，這個(gè)是比較容易被忽視的一個(gè)參數(shù)，它指的是G跟S之間的寄生電容。所有的NMOS都有，這是一個(gè)制造工藝的問題，沒有辦法被避免。那它會(huì)影響到NMOS打開速度，因?yàn)榧虞d到gate端的電壓，首先要給這個(gè)電容先充電，這就導(dǎo)致了G、S的電壓并不能一下子到達(dá)給定的一個(gè)數(shù)值。圖8它有一個(gè)爬升的過程。當(dāng)然因?yàn)镃gs比較小，所以一般情況下我們感覺不到它的存在。但是當(dāng)我們把這個(gè)時(shí)間刻度放大的時(shí)候，我們就可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)上