MOS開關管的選擇及原理運用

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一般情況下普遍用於高端驅動的MOS,導通時需要是柵極電壓大於源極電壓,而高端驅動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統里,要得到比VCC大的電壓,就要專門的升壓電路了。很多馬達驅動器都集成了電荷泵,要注意的是應該選擇合適的外接電容,以得到足夠的短路電流去驅動MOS管。

MOS管是電壓驅動,按理說只要柵極電壓到到開啟電壓就能導通DS,柵極串多大電阻均能導通。但如果要求開關頻率較高時,柵對地或VCC可以看做是一個電容,對於一個電容來說,串的電阻越大,柵極達到導通電壓時間越長,MOS處於半導通狀態時間也越長,在半導通狀態內阻較大,發熱也會增大,極易損壞MOS,所以高頻時柵極柵極串的電阻不但要小,一般要加前置驅動電路的。

下面我們先來了解一下

MOS管開關的基礎知識

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MOS管種類和結構

MOSFET管是FET的一種(另一種是JFET),可以被製造成增強型或耗盡型,P溝道或N溝道共4種類型,但實際應用的只有增強型的N溝道MOS管和增強型的P溝道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是這兩種。

對於這兩種增強型MOS管,比較常用的是NMOS —— 原因是導通電阻小,且容易製造,所以開關電源和馬達驅動的應用中,一般都用NMOS。

MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在,這不是我們需要的,而是由於製造工藝限制產生的。寄生電容的存在使得在設計或選擇驅動電路的時候要麻煩一些,但沒有辦法避免,後邊再詳細介紹。

在MOS管的漏極和源極之間有一個寄生二極管,這個叫體二極管,在驅動感性負載(如馬達),這個二極管很重要。順便說一句,體二極管只在單個的MOS管中存在,在集成電路晶片內部通常是沒有的。

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MOS管導通特性

導通的意思是作為開關,相當於開關閉合。

NMOS的特性,Vgs大於一定的值就會導通,適合用於源極接地時的情況(低端驅動),只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。PMOS的特性,Vgs小於一定的值就會導通,適合用於源極接VCC時的情況(高端驅動)。

但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動,但由於導通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅動中,通常還是使用NMOS。

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MOS開關管損失

不管是NMOS還是PMOS,導通後都有導通電阻存在,這樣電流就會在這個電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗。現在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有。

MOS在導通和截止的時候,一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程,流過的電流有一個上升的過程,在這段時間內,MOS管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多,而且開關頻率越快,損失也越大。

導通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大。縮短開關時間,可以減小每次導通時的損失;降低開關頻率,可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。

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MOS管驅動

跟雙極性晶體管相比,一般認為使MOS管導通不需要電流,只要GS電壓高於一定的值,就可以了。這個很容易做到,但是,我們還需要速度。

在MOS管的結構中可以看到,在GS和GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅動,實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流,因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路,所以瞬間電流會比較大。選擇/設計MOS管驅動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。

而在進行MOSFET的選擇時,因為MOSFET有兩大類型:N溝道和P溝道。在功率系統中,MOSFET可被看成電氣開關。當在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時,其開關導通。導通時,電流可經開關從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內阻,稱為導通電阻RDS(ON)。

必須清楚MOSFET的柵極是個高阻抗端,因此,總是要在柵極加上一個電壓,這就是後面介紹電路圖中柵極所接電阻至地。如果柵極為懸空,器件將不能按設計意圖工作,並可能在不恰當的時刻導通或關閉,導致系統產生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時,開關關閉,而電流停止通過器件。雖然這時器件已經關閉,但仍然有微小電流存在,這稱之為漏電流,即IDSS。

第一步:選用N溝道還是P溝道

為設計選擇正確器件的第一步是決定採用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應用中,當一個MOSFET接地,而負載連接到幹線電壓上時,該MOSFET就構成了低壓側開關。在低壓側開關中,應採用N溝道MOSFET,這是出於對關閉或導通器件所需電壓的考慮。

當MOSFET連接到總線及負載接地時,就要用高壓側開關。通常會在這個拓撲中採用P溝道MOSFET,這也是出於對電壓驅動的考慮。

第二步:確定額定電流

第二步是選擇MOSFET的額定電流,視電路結構而定,該額定電流應是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似,設計人員必須確保所選的MOSFET能承受這個額定電流,即使在系統產生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續模式和脈沖尖峰。

在連續導通模式下,MOSFET處於穩態,此時電流連續通過器件。脈沖尖峰是指有大量電湧(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最大電流的器件便可。

選好額定電流後,還必須計算導通損耗。在實際情況下,MOSFET並不是理想的器件,因為在導電過程中會有電能損耗,這稱之為導通損耗。MOSFET在「導通」時就像一個可變電阻,由器件的RDS(ON)所確定,並隨溫度而顯著變化。

器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算,由於導通電阻隨溫度變化,因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOSFET施加的電壓VGS越高,RDS(ON)就會越小,反之RDS(ON)就會越高。

對系統設計人員來說,這就是取決於系統電壓而需要折中權衡的地方。對便攜式設計來說,採用較低的電壓比較容易(較為普遍),而對於工業設計,可採用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升,關於RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在製造商提供的技術資料表中查到。

第三步:確定熱要求

選擇MOSFET的下一步是計算系統的散熱要求。設計人員必須考慮兩種不同的情況,即最壞情況和真實情況。建議採用針對最壞情況的計算結果,因為這個結果提供更大的安全餘量,能確保系統不會失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數據,比如封裝器件的半導體結與環境之間的熱阻,以及最大的結溫。

器件的結溫等於最大環境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結溫=最大環境溫度+[熱阻×功率耗散]),根據這個方程可解出系統的最大功率耗散,即按定義相等於I2×RDS(ON)。由於設計人員已確定將要通過器件的最大電流,因此可以計算出不同溫度下的RDS(ON)。值得注意的是,在處理簡單熱模型時,設計人員還必須考慮半導體結/器件外殼及外殼/環境的熱容量,即要求印刷電路板和封裝不會立即升溫。

通常,一個PMOS管,會有寄生的二極管存在,該二極管的作用是防止源漏端反接,對於PMOS而言,比起NMOS的優勢在於它的開啟電壓可以為0,而DS電壓之間電壓相差不大,而NMOS的導通條件要求VGS要大於閾值,這將導致控制電壓必然大於所需的電壓,會出現不必要的麻煩。

選用PMOS作為控制開關,有下面兩種應用:

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由PMOS來進行電壓的選擇,當V8V存在時,此時電壓全部由V8V提供,將PMOS關閉,VBAT不提供電壓給VSIN,而當V8V為低時,VSIN由8V供電。注意R120的接地,該電阻能將柵極電壓穩定地拉低,確保PMOS的正常開啟,這也是前文所描述的柵極高阻抗所帶來的狀態隱患。D9和D10的作用在於防止電壓的倒灌。D9可以省略。這里要注意到實際上該電路的DS接反,這樣由附生二極管導通導致了開關管的功能不能達到,實際應用要注意。

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來看這個電路,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存在的意義在於R110控制柵極電流不至於過大,R113控制柵極的常態,將R113上拉為高,截至PMOS,同時也可以看作是對控制信號的上拉。當MCU內部管腳並沒有上拉時,即輸出為開漏時,並不能驅動PMOS關閉,此時,就需要外部電壓給予的上拉,所以電阻R113起到了兩個作用。R110可以更小,到100歐姆也可。

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MOS管的開關特性

靜態特性

MOS管作為開關元件,同樣是工作在截止或導通兩種狀態。由於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。

工作特性如下:

uGS開啟電壓UT:MOS管工作在截止區,漏源電流iDS基本為0,輸出電壓uDS≈UDD,MOS管處於「斷開」狀態,其等效電路如下圖所示。

uGS>開啟電壓UT:MOS管工作在導通區,漏源電流iDS=UDD/(RD+rDS)。其中,rDS為MOS管導通時的漏源電阻。輸出電壓UDS=UDD·rDS/(RD+rDS),如果rDS《RD,則uDS≈0V,MOS管處於「接通」狀態,其等效電路如上圖(c)所示。

動態特性

MOS管在導通與截止兩種狀態發生轉換時同樣存在過渡過程,但其動態特性主要取決於與電路有關的雜散電容充、放電所需的時間,而管子本身導通和截止時電荷積累和消散的時間是很小的。下圖分別給出了一個NMOS管組成的電路及其動態特性示意圖。

NMOS管動態特性示意圖

當輸入電壓ui由高變低,MOS管由導通狀態轉換為截止狀態時,電源UDD通過RD向雜散電容CL充電,充電時間常數τ1=RDCL,所以,輸出電壓uo要通過一定延時才由低電平變為高電平。

當輸入電壓ui由低變高,MOS管由截止狀態轉換為導通狀態時,雜散電容CL上的電荷通過rDS進行放電,其放電時間常數τ2≈rDSCL。可見,輸出電壓Uo也要經過一定延時才能轉變成低電平。但因為rDS比RD小得多,所以,由截止到導通的轉換時間比由導通到截止的轉換時間要短。

由於MOS管導通時的漏源電阻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、放電時間較長,使MOS管的開關速度比晶體三極管的開關速度低。不過,在CMOS電路中,由於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電路有較高的開關速度。

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