MOS管的工作原理浅显易懂

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MOS管的工作原理浅显易懂

2024-07-17 18:51| 来源: 网络整理| 查看: 265

学过模拟电路,但都忘得差不多了。重新学习MOS管相关知识,大多数是整理得来并非原创。如有错误还请多多指点!

 

先上一张图

 

 

一、 一句话MOS管工作原理

     NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到一定电压(如4V或10V, 其他电压,看手册)就可以了。           PMOS的特性,Vgs小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是,虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS。

 

 

二、

在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候,大部分人都会考虑MOS的导通电阻,最大电压等,最大电流等,也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的,但并不是优秀的,作为正式的产品设计也是不允许的。     1,MOS管种类和结构    MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET),可以被制造成增强型或耗尽型,P沟道或N沟道共4种类型,但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是这两种。     至于为什么不使用耗尽型的MOS管,不建议刨根问底。         对于这两种增强型MOS管,比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小,且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中,一般都用NMOS。下面的介绍中,也多以NMOS为主。

    MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在,这不是我们需要的,而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些,但没有办法避免,后边再详细介绍。     在MOS管原理图上可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管,在驱动感性负载(如马达、继电器),这个二极管很重要,用于保护回路。顺便说一句,体二极管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的。

 

 

2,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。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。

3,MOS管驱动     跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了。这个很容易做到,但是,我们还需要速度。     在MOS管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。     第二注意的是,普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管。     上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压,设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高,导通速度越快,导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里,但在12V汽车电子系统里,一般4V导通就够用了。

    MOS管的驱动电路及其损失,可以参考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。讲述得很详细,所以不打算多写了。

5,MOS管应用电路     MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用在需要电子开关的电路中,常见的如开关电源和马达驱动,也有照明调光。    

参数含义:

 Rds(on):DS的导通电阻.当Vgs=10V时,MOS的DS之间的电阻 Id:     最大DS电流.会随温度的升高而降低 Vgs:     最大GS电压.一般为:-20V~+20V Idm:     最大脉冲DS电流.会随温度的升高而降低,体现一个抗冲击能力,跟脉冲时间也有关系 Pd:      最大耗散功率 Tj:      最大工作结温,通常为150度和175度 Tstg:    最大存储温度 Iar:     雪崩电流 Ear:     重复雪崩击穿能量 Eas:     单次脉冲雪崩击穿能量 BVdss:  DS击穿电压 Idss:    饱和DS电流,uA级的电流 Igss:    GS驱动电流,nA级的电流. gfs:     跨导 Qg:      G总充电电量 Qgs:     GS充电电量  Qgd:     GD充电电量 Td(on):  导通延迟时间,从有输入电压上升到10%开始到Vds下降到其幅值90%的时间 Tr:      上升时间,输出电压 VDS 从 90% 下降到其幅值 10% 的时间 Td(off): 关断延迟时间,输入电压下降到 90% 开始到 VDS 上升到其关断电压时 10% 的时间 Tf:      下降时间,输出电压 VDS 从 10% 上升到其幅值 90% 的时间 ( 参考图 4) 。  Ciss:    输入电容,Ciss=Cgd + Cgs. Coss:    输出电容,Coss=Cds +Cgd.  Crss:    反向传输电容,Crss=Cgc.     总结: N沟道的电源一般接在D,输出S,P沟道的电源一般接在S,输出D。 增强耗尽接法基本一样。 P是指P沟道,N是指N沟道。 G:gate 栅极 S:source 源极 D:drain 漏极   以RJK0822SPN的POWER MOS为例:  Drain to source voltage:VDSS漏源极电压80V Gate to source voltage:VGSS ±20   门源电压这三种应用在各个领域都有详细的介绍,这里暂时不多写了。以后有时间再总结。



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