MOS管的種類、結(jié)構(gòu)及導(dǎo)通特性詳解

硬件設(shè)計(jì) | MOS管篇

一般情況下，普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的MOS，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。

MOS管是電壓驅(qū)動(dòng)，按理說只要柵極電壓到到開啟電壓就能導(dǎo)通DS，柵極串多大電阻均能導(dǎo)通，但如果要求開關(guān)頻率較高時(shí)，柵對地或VCC可以看做是一個(gè)電容。

對于一個(gè)電容來說，串的電阻越大，柵極達(dá)到導(dǎo)通電壓時(shí)間越長，MOS處于半導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)間也越長，在半導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)阻較大，發(fā)熱也會(huì)增大，極易損壞MOS，所以高頻時(shí)柵極串的電阻不但要小，一般是需要加前置驅(qū)動(dòng)電路的。

1MOS管種類和結(jié)構(gòu)

MOSFET管是FET的一種，可以被制造成增強(qiáng)型或耗盡型，P溝道或N溝道，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MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。

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。

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，但沒有辦法避免，后邊再詳細(xì)介紹。

一般在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。

2MOS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，適合用于源極接VCC時(shí)的情況(高端驅(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，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS。

3MOS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，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)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。

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。

4MOS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。

而在進(jìn)行MOSFET的選擇時(shí)，因?yàn)镸OSFET有兩大類型：N溝道和P溝道。

在功率系統(tǒng)中，MOSFET可被看成電氣開關(guān)，當(dāng)在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時(shí)，其開關(guān)導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)，電流可經(jīng)開關(guān)從漏極流向源極。

漏極和源極之間存在一個(gè)內(nèi)阻，稱為導(dǎo)通電阻RDS(ON)，必須清楚MOSFET的柵極是個(gè)高阻抗端，因此，總是要在柵極加上一個(gè)電壓。

這就是后面介紹電路圖中柵極所接電阻至地，如果柵極為懸空，器件將不能按設(shè)計(jì)意圖工作，并可能在不恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻導(dǎo)通或關(guān)閉，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。

當(dāng)源極和柵極間的電壓為零時(shí)開關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過器件，雖然這時(shí)器件已經(jīng)關(guān)閉，但仍然有微小電流存在，這稱之為漏電流，即IDSS.

01選用N溝道還是P溝道

為設(shè)計(jì)選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET，在典型的功率應(yīng)用中，當(dāng)一個(gè)MOSFET接地，而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí)，該MOSFET就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。

在低壓側(cè)開關(guān)中，應(yīng)采用N溝道MOS，這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]，當(dāng)MOSFET連接到總線及負(fù)載接地時(shí)，就要用高壓側(cè)開關(guān)，通常會(huì)在這個(gè)拓?fù)渲胁捎肞溝道MOSFET，這也是出于對電壓驅(qū)動(dòng)的考慮。

02確定額定電流

第二步是選擇MOSFET的額定電流，視電路結(jié)構(gòu)而定，該額定電流應(yīng)是負(fù)載在所有情況下能夠承受的最大電流。

與電壓的情況相似，設(shè)計(jì)人員必須確保所選的MOSFET能承受這個(gè)額定電流，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時(shí)，兩個(gè)考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰，該參數(shù)以FDN304P管DATASHEET為參考，參數(shù)如圖所示：

在連續(xù)導(dǎo)通模式下，MOSFET處于穩(wěn)態(tài)，此時(shí)電流連續(xù)通過器件，脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件，一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個(gè)最大電流的器件便可。

選好額定電流后，還必須計(jì)算導(dǎo)通損耗，在實(shí)際情況下MOSFET并不是理想的器件，因?yàn)樵趯?dǎo)電過程中會(huì)有電能損耗，這稱之為導(dǎo)通損耗。

MOSFET在導(dǎo)通時(shí)就像一個(gè)可變電阻，由器件的RDS(ON)所確定，并隨溫度而顯著變化。

器件的功率耗損可由：Iload2×RDS(ON)計(jì)算，由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會(huì)隨之按比例變化。

對MOSFET施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會(huì)越?。环粗甊DS(ON)就會(huì)越高。對系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權(quán)衡的地方。

對便攜式設(shè)計(jì)來說，采用較低的電壓比較容易(較為普遍)，而對于工業(yè)設(shè)計(jì)，可采用較高的電壓。

注意RDS(ON)電阻會(huì)隨著電流輕微上升，關(guān)于RDS(ON)電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。

03確定熱要求

選擇MOSFET的下一步是計(jì)算系統(tǒng)的散熱要求，設(shè)計(jì)人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。

建議采用針對最壞情況的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會(huì)失效。

在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數(shù)據(jù);比如封裝器件的半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結(jié)溫。

器件的結(jié)溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積：

結(jié)溫=最大環(huán)境溫度+[熱阻×功率耗散]

根據(jù)這個(gè)方程，可解出系統(tǒng)的最大功率耗散，即按定義相等于I2×RDS(ON)。

由于設(shè)計(jì)人員已確定將要通過器件的最大電流，因此可以計(jì)算出不同溫度下的RDS(ON)。

值得注意的是，在處理簡單熱模型時(shí)，設(shè)計(jì)人員還必須考慮半導(dǎo)體結(jié)/器件外殼及外殼/環(huán)境的熱容量；即要求印刷電路板和封裝不會(huì)立即升溫。

通常，一個(gè)PMOS管，會(huì)有寄生的二極管存在，該二極管的作用是防止源漏端反接，對于PMOS而言，比起NMOS的優(yōu)勢在于它的開啟電壓可以為0。

而DS電壓之間電壓相差不大，而NMOS的導(dǎo)通條件要求VGS要大于閾值，這將導(dǎo)致控制電壓必然大于所需的電壓，會(huì)出現(xiàn)不必要的麻煩。

選用PMOS作為控制開關(guān)，有下面兩種應(yīng)用：

第一種應(yīng)用是由PMOS來進(jìn)行電壓選擇，當(dāng)V8V存在時(shí)，此時(shí)電壓全部由V8V提供，將PMOS關(guān)閉，VBAT不提供電壓給VSIN,而當(dāng)V8V為低時(shí)，VSIN由8V供電。

注意R120的接地，該電阻能將柵極電壓穩(wěn)定地拉低，確保PMOS能夠正常開啟，這也是前文所描述的柵極高阻抗所帶來的狀態(tài)隱患。

D9和D10的作用在于防止電壓的倒灌，D9可以省略，這里要注意到實(shí)際上該電路的DS接反，這樣由附生二極管導(dǎo)通導(dǎo)致了開關(guān)管的功能不能達(dá)到，實(shí)際應(yīng)用要注意。

來看這個(gè)電路，控制信號PGC控制V4.2是否給P_GPRS供電。

此電路中，源漏兩端沒有接反，R110與R113存在的意義在于R110控制柵極電流不至于過大，R113控制柵極的常態(tài)，將R113上拉為高，截至PMOS，同時(shí)也可以看作是對控制信號的上拉。

當(dāng)MCU內(nèi)部管腳并沒有上拉時(shí)，即輸出為開漏時(shí)，并不能驅(qū)動(dòng)PMOS關(guān)閉，此時(shí)，就需要外部電壓給予的上拉，所以電阻R113起到了兩個(gè)作用，R110可以更小，到100歐姆也可。

5MOS管的開關(guān)特性

01靜態(tài)特性

MOS管作為開關(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)。

工作特性如下：

uGS開啟電壓UT：MOS管工作在截止區(qū)，漏源電流iDS基本為0，輸出電壓uDS≈UDD，MOS管處于“斷開”狀態(tài)，其等效電路如下圖所示。

uGS>開啟電壓UT：MOS管工作在導(dǎo)通區(qū)，漏源電流：

iDS=UDD/(RD+rDS)

其中，rDS為MOS管導(dǎo)通時(shí)的漏源電阻。

輸出電壓：

UDS=UDD·rDS/(RD+rDS)

如果rDS《RD，則uDS≈0V，MOS管處于“接通”狀態(tài)，其等效電路如上圖(c)所示。

02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)同樣存在過渡過程，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。

下圖 (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。

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RD向雜散電容CL充電，充電時(shí)間常數(shù)τ1=RDCL。

所以，輸出電壓uo要通過一定延時(shí)才由低電平變?yōu)楦唠娖健?/p>

當(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)，雜散電容CL上的電荷通過rDS進(jìn)行放電，其放電時(shí)間常數(shù)τ2≈rDSCL。

可見，輸出電壓Uo也要經(jīng)過一定延時(shí)才能轉(zhuǎn)變成低電平。

但因?yàn)閞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rDS比晶體三極管的飽和電阻rCES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管的充放電時(shí)間較長，使MOS管的開關(guān)速度比晶體三極管的開關(guān)速度低。

不過，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、放電過程都比較快，從而使CMOS電路有較高的開關(guān)速度。

審核編輯：湯梓紅