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开关MOS管的工作原理

一、MOS管种类和结构

MOSFET管是FET的(de)一种(zhong)(另一种(zhong)是JFET)，可以(yi)被制造成增强型(xing)(xing)或(huo)(huo)耗尽(jin)型(xing)(xing)，P沟道(dao)或(huo)(huo)N沟道(dao)共(gong)4种(zhong)类型(xing)(xing)，但实(shi)际应(ying)用的(de)只有增强型(xing)(xing)的(de)N沟道(dao)MOS管和增强型(xing)(xing)的(de)P沟道(dao)MOS管，所以(yi)通常提到NMOS,或(huo)(huo)者PMOS指的(de)就(jiu)是这两(liang)种(zhong)。

至于为什么不(bu)使用耗尽型的MOS管，不(bu)建议刨根问底。

对(dui)于这两种(zhong)增强(qiang)型MOS管，比较常用的是(shi)NMOS.原因是(shi)导(dao)通电(dian)阻小，且容易制造。所以开关电(dian)源和马(ma)达(da)驱动的应(ying)用中，一般都用NMOS.下面的介绍中，也多以NMOS为(wei)主。

MOS管(guan)(guan)的(de)三个管(guan)(guan)脚之间有寄生(sheng)电容(rong)存(cun)在，这不是我们需要(yao)的(de)，而是由于制(zhi)(zhi)造(zao)工艺(yi)限制(zhi)(zhi)产生(sheng)的(de)。寄生(sheng)电容(rong)的(de)存(cun)在使得(de)在设计或选择(ze)驱动电路的(de)时(shi)候(hou)要(yao)麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍。开关MOS管(guan)(guan)工作原理(li)

在(zai)MOS管(guan)(guan)原理图上可(ke)以看(kan)到，漏极(ji)和源极(ji)之间有(you)一(yi)个(ge)(ge)寄生二(er)(er)极(ji)管(guan)(guan)。这(zhei)个(ge)(ge)叫体二(er)(er)极(ji)管(guan)(guan)，在(zai)驱动感性负载(如马达(da))，这(zhei)个(ge)(ge)二(er)(er)极(ji)管(guan)(guan)很重(zhong)要。顺(shun)便说一(yi)句，体二(er)(er)极(ji)管(guan)(guan)只(zhi)在(zai)单个(ge)(ge)的(de)(de)MOS管(guan)(guan)中存在(zai)，在(zai)集成电路芯片内部通(tong)常是没有(you)的(de)(de)。

（1）静态特性

MOS管(guan)作(zuo)为开关元件，同样是工(gong)作(zuo)在截止(zhi)或导通两种状态。由于MOS管(guan)是电压控制元件，所(suo)以主要(yao)由栅源电压uGS决(jue)定其工(gong)作(zuo)状态。

工作特性如下：

uGS<开启电(dian)(dian)压(ya)UT:MOS管工作在(zai)截止(zhi)区，漏源(yuan)电(dian)(dian)流iDS基本为0,输出电(dian)(dian)压(ya)uDS≈UDD,MOS管处(chu)于(yu)“断开”状态，其(qi)等(deng)效电(dian)(dian)路如下图所(suo)示(shi)。

uGS>开启电压UT:MOS管(guan)(guan)工作在导通区，漏源电流iDS=UDD/(RD+rDS)。其中，rDS为MOS管(guan)(guan)导通时的漏源电阻(zu)。输出电压UDS=UDD·rDS/(RD+rDS)，如(ru)果rDS《RD,则(ze)uDS≈0V,MOS管(guan)(guan)处于(yu)“接通”状态，其等效(xiao)电路如(ru)上图(tu)(c)所示。

（2）动态特性

MOS管(guan)在导(dao)通与截(jie)止(zhi)两种状态(tai)发(fa)生转换时(shi)(shi)(shi)同样存在过(guo)渡(du)过(guo)程，但其动(dong)(dong)态(tai)特(te)性主要取决于与电路有关的(de)杂(za)散(san)(san)电容充、放电所(suo)需(xu)的(de)时(shi)(shi)(shi)间，而管(guan)子本身导(dao)通和(he)截(jie)止(zhi)时(shi)(shi)(shi)电荷积累和(he)消散(san)(san)的(de)时(shi)(shi)(shi)间是很小的(de)。下图 (a)和(he)(b)分别给出了一(yi)个NMOS管(guan)组成的(de)电路及其动(dong)(dong)态(tai)特(te)性示意图。

MOS管动态(tai)特性示意(yi)图

当(dang)输(shu)入(ru)(ru)电(dian)压(ya)ui由(you)(you)(you)高变(bian)低，MOS管(guan)由(you)(you)(you)导通(tong)(tong)(tong)状态转(zhuan)换为(wei)截止(zhi)状态时(shi)，电(dian)源UDD通(tong)(tong)(tong)过RD向杂散电(dian)容CL充电(dian)，充电(dian)时(shi)间(jian)常(chang)数τ1=RDCL.所(suo)以，输(shu)出电(dian)压(ya)uo要通(tong)(tong)(tong)过一定延时(shi)才由(you)(you)(you)低电(dian)平变(bian)为(wei)高电(dian)平;当(dang)输(shu)入(ru)(ru)电(dian)压(ya)ui由(you)(you)(you)低变(bian)高，MOS管(guan)由(you)(you)(you)截止(zhi)状态转(zhuan)换为(wei)导通(tong)(tong)(tong)状态时(shi)，杂散电(dian)容CL上的电(dian)荷通(tong)(tong)(tong)过rDS进(jin)行放(fang)电(dian)，其放(fang)电(dian)时(shi)间(jian)常(chang)数τ2≈rDSCL.可(ke)见，输(shu)出电(dian)压(ya)Uo也要经过一定延时(shi)才能转(zhuan)变(bian)成(cheng)低电(dian)平。但(dan)因(yin)为(wei)rDS比RD小得多，所(suo)以，由(you)(you)(you)截止(zhi)到导通(tong)(tong)(tong)的转(zhuan)换时(shi)间(jian)比由(you)(you)(you)导通(tong)(tong)(tong)到截止(zhi)的转(zhuan)换时(shi)间(jian)要短。

由于MOS管(guan)(guan)导通时的(de)(de)漏源电(dian)(dian)(dian)阻(zu)rDS比(bi)(bi)晶体三极(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)饱和电(dian)(dian)(dian)阻(zu)rCES要大得多，漏极(ji)外接电(dian)(dian)(dian)阻(zu)RD也比(bi)(bi)晶体管(guan)(guan)集电(dian)(dian)(dian)极(ji)电(dian)(dian)(dian)阻(zu)RC大，所以，MOS管(guan)(guan)的(de)(de)充、放(fang)(fang)电(dian)(dian)(dian)时间较(jiao)长，使(shi)MOS管(guan)(guan)的(de)(de)开(kai)关(guan)速(su)度比(bi)(bi)晶体三极(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)开(kai)关(guan)速(su)度低。不过(guo)，在CMOS电(dian)(dian)(dian)路(lu)中，由于充电(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)路(lu)和放(fang)(fang)电(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)路(lu)都(dou)是低阻(zu)电(dian)(dian)(dian)路(lu)，因此，其充、放(fang)(fang)电(dian)(dian)(dian)过(guo)程都(dou)比(bi)(bi)较(jiao)快，从而使(shi)CMOS电(dian)(dian)(dian)路(lu)有(you)较(jiao)高的(de)(de)开(kai)关(guan)速(su)度。

二、MOS管导通特性

导通的意思是作为开关MOS管，相当(dang)于开关闭合。

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导(dao)通，适(shi)合用(yong)于源极(ji)接地时的情(qing)况(低端驱动)，只要栅(zha)极(ji)电(dian)压达(da)到4V或(huo)10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于(yu)一定的值就会导(dao)通，适合用(yong)于(yu)源(yuan)极接VCC时(shi)的情况(高端驱(qu)动)。但是，虽然PMOS可以(yi)很方便地用(yong)作(zuo)高端驱(qu)动，但由于(yu)导(dao)通电(dian)阻大，价格(ge)贵，替换种(zhong)类少等(deng)原因，在(zai)高端驱(qu)动中，通常(chang)还是使用(yong)NMOS.

三、MOS开关管损失

不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。

MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。开关MOS管。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，损失也越大。

导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失;降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

四、MOS管驱动

跟双极性晶体(ti)管相比(bi)，一(yi)(yi)般认为使MOS管导通不需要(yao)(yao)电(dian)流(liu)，只要(yao)(yao)GS电(dian)压高(gao)于(yu)一(yi)(yi)定(ding)的值，就可以了(le)。这个(ge)很容(rong)易做到，但是，我们还(hai)需要(yao)(yao)速度(du)。

在MOS管的(de)结构中可(ke)(ke)以看(kan)(kan)到，在GS，GD之(zhi)间(jian)存在寄生(sheng)电(dian)(dian)(dian)容(rong)，而MOS管的(de)驱动，实际上就是对(dui)电(dian)(dian)(dian)容(rong)的(de)充放电(dian)(dian)(dian)。对(dui)电(dian)(dian)(dian)容(rong)的(de)充电(dian)(dian)(dian)需要(yao)一个(ge)电(dian)(dian)(dian)流，因为对(dui)电(dian)(dian)(dian)容(rong)充电(dian)(dian)(dian)瞬间(jian)可(ke)(ke)以把电(dian)(dian)(dian)容(rong)看(kan)(kan)成(cheng)短路，所(suo)以瞬间(jian)电(dian)(dian)(dian)流会(hui)比较大。开关MOS管。选择/设(she)计MOS管驱动时第一要注意的是可提供(gong)瞬间短路(lu)电流的大小。

第(di)二注(zhu)(zhu)意(yi)的(de)是，普(pu)遍用于高端驱(qu)动的(de)NMOS，导通(tong)时需(xu)要(yao)是栅极电压大于源极电压。而(er)高端驱(qu)动的(de)MOS管(guan)导通(tong)时源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以(yi)这时栅极电压要(yao)比VCC大4V或10V。如(ru)果在同一个系(xi)统里，要(yao)得到(dao)比VCC大的(de)电压，就要(yao)专门的(de)升压电路了。很(hen)多马达驱(qu)动器都集成(cheng)了电荷(he)泵，要(yao)注(zhu)(zhu)意(yi)的(de)是应(ying)该(gai)选择合(he)适(shi)的(de)外接电容，以(yi)得到(dao)足(zu)够的(de)短路电流去(qu)驱(qu)动MOS管(guan)。

上边说的(de)(de)4V或10V是常用的(de)(de)MOS管的(de)(de)导通电(dian)压，设计(ji)时当然需要(yao)有一定的(de)(de)余量。而且(qie)电(dian)压越(yue)高，导通速度越(yue)快，导通电(dian)阻(zu)也越(yue)小。现在也有导通电(dian)压更小的(de)(de)MOS管用在不同的(de)(de)领域里(li)，但(dan)在12V汽车(che)电(dian)子系统里(li)，一般4V导通就(jiu)够用了。