MOS管開關電路設計詳解（圖文+案例）

mos管的工作區(qū)域

從之前的文章中可以知道，mos管有三個工作區(qū)域：

截止區(qū)域

線性(歐姆)區(qū)域

飽和區(qū)域

當 VGS < VTH時，mos管工作在截止區(qū)域。在該區(qū)域中，mos管處于關斷狀態(tài)，因為在漏極和源極之間沒有感應溝道。

對于要感應的溝道和mos管在線性或飽和區(qū)工作，VGS > VTH。

柵極 - 漏極偏置電壓 VGD將決定mos管是處于線性區(qū)還是飽和區(qū)。在這兩個區(qū)域中，mos管處于導通狀態(tài)，但差異在線性區(qū)域，溝道是連續(xù)的，漏極電流與溝道電阻成正比。進入飽和區(qū)，當 VDS > VGS – VTH時，通道夾斷，即它變寬導致恒定的漏極電流。

電子開關

半導體開關是電子電路中的重要方面之一。像 BJT 或mos管 之類的半導體器件通常作為開關操作，即它們要么處于 ON 狀態(tài)，要么處于 OFF 狀態(tài)。

理想的開關特性

對于像mos管這樣的半導體器件，要充當理想的開關，它必須具有以下特性：

在 ON 狀態(tài)下，它可以承載的電流量不應有任何限制。

在關閉狀態(tài)下，阻斷電壓不應有任何限制。

當器件處于 ON 狀態(tài)時，應有零壓降。

關態(tài)電阻應該是無限大的。

設備的運行速度沒有限制。

理想的開關特性圖

實用開關特性

但半導體開關并不是我們想的那么理想。在實際情況中，像mos管這樣的半導體器件具有以下特性。

在開啟狀態(tài)期間，功率處理能力是有限的，即有限的傳導電流。關斷狀態(tài)期間的阻斷電壓也受到限制。

有限的開啟和關閉時間，這限制了開關速度。最大工作頻率也受到限制。

當器件開啟時，將存在一個有限的導通狀態(tài)電阻，從而導致正向壓降。還會有一個有限的關閉狀態(tài)電阻，這會導致反向漏電流。

實際的開關在開啟狀態(tài)、關閉狀態(tài)以及過渡狀態(tài)(從開啟到關閉或從關閉到開啟)期間都會經(jīng)歷斷電。

實用開關特性圖

mos開關電路實例1

在下圖所示的電路中，增強型 N 溝道m(xù)os管用于切換簡單的燈“ON”和“OFF”(也可以是 LED)。

柵極輸入電壓VGS被帶到適當?shù)恼妷弘娖揭源蜷_器件，因此燈負載要么“打開”，(V GS = +ve)，要么處于將器件“關閉”的零電壓電平，(V GS = 0V)。

如果燈的電阻負載要由電感負載(如線圈、螺線管或繼電器)代替，則需要與負載并聯(lián)一個“續(xù)流二極管”，以保護mos管免受任何自生反電動勢的影響。

mos開關電路

上面顯示了一個非常簡單的電路，用于切換電阻負載，例如燈或 LED。但是，當使用功率mos管切換感性或容性負載時，需要某種形式的保護來防止mos管器件受損。驅動感性負載與驅動容性負載的效果相反。

例如，沒有電荷的電容是短路的，導致高“涌入”電流，當我們從感性負載上移除電壓時，隨著磁場崩潰，我們會產(chǎn)生很大的反向電壓，從而導致感應繞組中的感應反電動勢。

mos開關電路功耗計算

我們假設燈的額定電壓為 6v、24W 并且完全“開啟”，標準mos管的通道導通電阻 ( R DS(on) ) 值為 0.1ohms。計算mos管開關器件的功耗。

流過燈的電流計算如下：

mos開關電路電流計算公式

那么mos管中消耗的功率將為：

mos管開關電路功耗計算公式

P溝道m(xù)os管開關電路實例

在上圖我們將 N 溝道 mos管視為開關，mos管放置在負載和地之間。這也允許 mos管的柵極驅動或開關信號以地為參考(低側開關)。但在某些應用中，如果負載直接接地，我們需要使用 P 溝道增強型 mos管。如下圖所示。

P溝道m(xù)os管開關電路

在這種情況下，mos管開關連接在負載和正電源軌(高端開關)之間，就像我們使用 PNP 晶體管一樣。

在 P 溝道器件中，漏極電流的常規(guī)流動方向為負方向，因此施加負柵源電壓以將晶體管“導通”。

這是因為 P 溝道m(xù)os管是“倒置”的，其源極端子連接到正電源+V DD。然后，當開關變?yōu)榈碗娖綍r，mos管變?yōu)椤癘N”，當開關變?yōu)楦唠娖綍r，mos管變?yōu)椤癘FF”。

P 溝道增強型mos管開關的這種倒置連接允許我們將其與 N 溝道增強型 mos管串聯(lián)連接，以產(chǎn)生互補或 CMOS 開關器件，如上圖所示為跨雙電源。

mos開關電路實例2

了解 了mos管的工作原理及其工作區(qū)域，就很容易知道m(xù)os管是如何作為開關工作的。通過考慮一個簡單的示例電路，將了解 mos管作為開關的操作。

mos開關電路圖

這是一個簡單的電路，其中 N 溝道增強模式mos管將打開或關閉燈。為了將mos管用作開關，它必須工作在截止和線性(或三極管)區(qū)域。

假設設備最初是關閉的。柵極和源極之間的電壓，即 V GS適當?shù)卦O為正值(從技術上講，V GS > V TH)，MOSFET 進入線性區(qū)域并且開關導通。這使燈打開。

如果輸入柵極電壓為 0V(或技術上 < V TH)，則mos管進入截止狀態(tài)并關閉。這反過來會使燈關閉。

mos開關電路實例3

考慮一種情況，如果你想使用微控制器對 12W LED (12V @ 1A) 進行數(shù)字控制。當你按下連接到微控制器的按鈕時，LED 應打開。當你再次按下相同的按鈕時，LED 應熄滅。

很明顯，你不能在微控制器的幫助下直接控制 LED。這個時候你就需要一種設備來彌合微控制器和 LED 之間的差距。

該設備應從微控制器接收控制信號(通常該信號的電壓在微控制器的工作電壓范圍內，例如 5V)并為 LED 供電，在這種情況下來自 12V 電源。

而這個設備是mos管，上述場景的設置如下電路所示。

mos開關電路圖

當邏輯 1(假設為 5V 微控制器，邏輯 1 為 5V，邏輯 0 為 0V)提供給mos管的柵極時，它打開并允許漏極電流流動。結果，LED 亮起。

類似地，當 mos管的柵極為邏輯 0 時，它會關閉，進而關閉 LED。

因此，你可以通過微控制器和mos管的組合對大功率設備進行數(shù)字控制。

mos管開關電路需要注意的因素---mos管的功耗

需要考慮的一個重要因素是mos管的功耗?？紤]一個漏源電阻為 0.1Ω 的mos管。在上述情況下，即由 12V 電源驅動的 12W LED 將導致 1A 的漏極電流。

因此，mos管消耗的功率為 P = I 2 * R = 1 * 0.1 = 0.1W。

這看起來是一個比較低的值，但如果你使用相同的 mos管驅動電機，情況會略有不同。電機的啟動電流(也稱為浪涌電流)會非常高。

mos管驅動電路圖

因此，即使 RDS 為 0.1Ω，電機啟動期間消耗的功率仍會非常高，這可能會導致熱過載。因此，RDS將是你的應用選擇 mos管的關鍵參數(shù)。

此外，在驅動電機時，反電動勢是設計電路時必須考慮的重要因素。

使用mos管驅動電機的主要優(yōu)點之一是輸入 PWM 信號可用于平滑控制電機的速度。

mos開關電路實例4

下圖顯示了一個使用 n 溝道增強型mos管作為開關的簡單電路。此處，mos管的漏極端子 (D)通過漏極電阻RD連接到電源電壓 V S ，而其源極端子 (S) 接地。此外，它在其柵極端子 (G) 處施加輸入電壓Vi ，而輸出 Vo從其漏極汲取。

mos開關電路圖

現(xiàn)在考慮施加的 Vi為 0V 的情況，這意味著mos管的柵極端子未偏置。因此，mos管將關閉并在其截止區(qū)域中工作，在該區(qū)域中，它為電流提供了一個高阻抗路徑，這使得 IDS幾乎等于零。

結果，即使R D上的電壓降也將變?yōu)榱?，因此輸出電壓V o將變得幾乎等于V S。接下來，考慮施加的輸入電壓V i大于器件的閾值電壓V T的情況。在這種情況下，mos管將開始導通.

如果 V提供的S大于器件的夾斷電壓 VP(通常會如此)，則mos管開始在其飽和區(qū)工作。這進一步意味著該器件將為恒定 IDS的流動提供低電阻路徑，幾乎就像短路一樣。結果，輸出電壓將被拉向低電壓電平，理想情況下為零。

從上面的分析可以看出，輸出電壓在 VS和零之間變化，這取決于所提供的輸入分別是小于還是大于 V T。因此，可以得出結論，當使mos管s在截止和飽和工作區(qū)域之間工作時，可以使mos管起電子開關的作用。

n 溝道耗盡型 mos管開關電路

與 n 溝道增強型mos管的情況類似，n 溝道耗盡型 mos管也可用于執(zhí)行開關動作，如下圖所示。這種電路的行為與上面的解釋幾乎相同，除了事實上，對于截止，柵極電壓 VG需要設為負值，并且應小于 -V。

n 溝道耗盡型 mos管開關電路圖

p 溝道增強型mos管開關電路

下圖顯示了將 p 溝道增強型mos管用作開關的情況。這里可以看出，電源電壓 VS施加在其源極端子 (S) 上，柵極端子提供輸入電壓 V i，而漏極端子通過電阻RD接地。

p 溝道增強型mos管開關電路圖

此外，從mos管的漏極端子通過RD獲得電路V o的輸出。在 p 型器件的情況下，傳導電流將來自空穴，因此會從源極流向漏極 ISD，而不是從漏極流向源極(IDS) 與 n 型器件一樣。

現(xiàn)在，讓我們假設只有mos管的柵極電壓 VG的輸入電壓變低。這會導致mos管開啟并為電流提供低(幾乎可以忽略不計)電阻路徑。

結果，大電流流過器件，導致電阻 RD上的電壓降很大。這反過來導致輸出幾乎等于電源電壓V S。接下來，考慮V i變高的情況，即當Vi 將大于器件的閾值電壓(這些器件的 V T將為負值)。在這種情況下mos管將關閉并為電流提供高阻抗路徑。這導致幾乎為零的電流導致輸出端子處的電壓幾乎為零。

p 溝道耗盡型mos管開關電路

與此類似， p 溝道耗盡型mos管也可用于執(zhí)行開關動作，如下圖所示。該電路的工作原理與上述電路幾乎相似，只是此處的截止區(qū)域為僅當 Vi = VG為正且超過器件的閾值電壓時才會出現(xiàn)。

p 溝道耗盡型mos管開關電路圖

審核編輯：湯梓紅