你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

MOSFET及MOSFET驅(qū)動(dòng)電路總結(jié)

發(fā)布時(shí)間:2008-11-02 來源:電子開發(fā)網(wǎng)

中心論題:

  • 常用MOS管有NMOS和PMOS型兩種,以NMOS管為例介紹MOS管的結(jié)構(gòu)及導(dǎo)通特性
  • MOS管的功率損失主要有兩種:導(dǎo)通損耗和開關(guān)損失
  • MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)除了需要足夠的導(dǎo)通電壓外,還需要速度

解決方案:

  • 選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管可以減小導(dǎo)通損耗
  • 降低開關(guān)時(shí)間和開關(guān)頻率可以減小開關(guān)損失
  • 選擇和設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)要注意可提供瞬間短路電流的大小,還要有專門的升壓電路,同時(shí)應(yīng)選擇合適的外接電容

在使用MOS管設(shè)計(jì)開關(guān)電源或者馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候,大部分人都會(huì)考慮MOS的導(dǎo)通電阻,最大電壓等,最大電流等,也有很多人僅僅考慮這些因素。這樣的電路也許是可以工作的,但并不是優(yōu)秀的,作為正式的產(chǎn)品設(shè)計(jì)也是不允許的。

下面是我對(duì)MOSFET及MOSFET驅(qū)動(dòng)電路基礎(chǔ)的一點(diǎn)總結(jié),其中參考了一些資料,非全部原創(chuàng)。包括MOS管的介紹,特性,驅(qū)動(dòng)以及應(yīng)用電路。

MOS管種類和結(jié)構(gòu)
MOSFET管是FET的一種(另一種是JFET),可以被制造成增強(qiáng)型或耗盡型,P溝道或N溝道共4種類型,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。右圖是這兩種MOS管的符號(hào)。

至于為什么不使用耗盡型的MOS管,不建議刨根問底。

對(duì)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。

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。下圖是MOS管的構(gòu)造圖,通常的原理圖中都畫成右圖所示的樣子。 (柵極保護(hù)用二極管有時(shí)不畫)

MOS管的三個(gè)管腳之間有寄生電容存在,如右圖所示。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,在MOS管的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)再詳細(xì)介紹。


MOS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,使用與源極接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。

下圖是瑞薩2SK3418的Vgs電壓和Vds電壓的關(guān)系圖。可以看出小電流時(shí),Vgs達(dá)到4V,DS間壓降已經(jīng)很小,可以認(rèn)為導(dǎo)通。


MOS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,因而在DS間流過電流的同時(shí),兩端還會(huì)有電壓(如2SK3418特性圖所示),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?,F(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。

下圖是MOS管導(dǎo)通時(shí)的波形??梢钥闯觯瑢?dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大。降低開關(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。


MOS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(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流,因?yàn)閷?duì)電容充電瞬間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。

第二注意的是,普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的NMOS,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。

上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓,設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)然需要有一定的余量。而且電壓越高,導(dǎo)通速度越快,導(dǎo)通電阻也越小。現(xiàn)在也有導(dǎo)通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里,但在12V汽車電子系統(tǒng)里,一般4V導(dǎo)通就夠用了。

MOS管的驅(qū)動(dòng)電路及其損失,可以參考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。講述得很詳細(xì),所以不打算多寫了。

MOS管應(yīng)用電路
MOS管最顯著的特性是開關(guān)特性好,所以被廣泛應(yīng)用在需要電子開關(guān)的電路中,常見的如開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng),也有照明調(diào)光。這三種應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域都有詳細(xì)的介紹,這里暫時(shí)不多寫了。以后有時(shí)間再總結(jié)。
 

 

要采購開關(guān)么,點(diǎn)這里了解一下價(jià)格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉