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[导读]MOS管,其英文全称是MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),即金属氧化物半导体型场效应管。这种管子属于场效应管的一个分类,即绝缘栅型,因此,它有时也被直接称为绝缘栅场效应管。在电子电路中,MOS管发挥着重要的作用,常被应用于放大电路或开关电路的构建中。

MOS管,其英文全称是MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),即金属氧化物半导体型场效应管。这种管子属于场效应管的一个分类,即绝缘栅型,因此,它有时也被直接称为绝缘栅场效应管。在电子电路中,MOS管发挥着重要的作用,常被应用于放大电路或开关电路的构建中。

MOS管,即金属—氧化物—半导体场效应晶体管,是一种基于场效应原理工作的半导体器件。

01MOS管基本原理> MOS管的基本结构

MOS管,即金属-氧化物-半导体场效应晶体管,是一种常用的半导体器件。其结构及原理与三极管类似。通过理解MOS管的基本结构,我们可以更深入地了解其性能特点和在电路中的应用方式。

深入解读MOS管

请注意,三极管和MOS管的引脚可以类比为:b端近似于G端,e端近似于S端,c端近似于D端。在方向上,NMOS场管与PNP三极管保持一致,即箭头从P指向N,N在内,箭头朝里;而PMOS场管则与NPN三极管方向相同,箭头同样从P指向N,但N在外,箭头朝外。

深入解读MOS管

> 增强型与耗尽型

MOSFET可以被制造成增强型或耗尽型,以及P沟道或N沟道,共计四种类型。在实际应用中,增强型NMOS因其导通电阻小且易于制造而备受青睐。

> 寄生电容与体二极管

此外,制造过程中会产生寄生电容,这给驱动电路设计带来了一定的复杂性。不过,每个MOS管中都存在一个体二极管,它在驱动感性负载(如马达)时发挥着重要作用。值得注意的是,体二极管仅存在于单个的MOS管中,集成电路芯片内部通常不包含此二极管。

> 导通特性

对于MOS管的导通特性,增强型NMOS的驱动电压VGS需大于0,而PNP三极管的控制电压Vbe则小于0。再来看MOS管的导通特性。NMOS与PMOS的导通特性不同,适合不同的电路应用。对于NMOS来说,当Vgs达到一定值时就会导通,非常适合源极接地的情况(低端驱动);而对于PMOS来说,当Vgs小于一定值时才会导通,常用于源极接VCC的情况(高端驱动)。

> 导通与开关损耗

尽管如此,由于PMOS的导通电阻较大、价格较高以及替换种类较少等限制,在高端驱动的应用中,NMOS通常更为常用。最后,我们还需要考虑MOS开关管的损失。导通电阻和电压的变化导致的能量损耗及其对驱动设计的影响。由于MOS管在导通过程中存在导通电阻,电流会在该电阻上产生能量损耗,这就是所谓的导通损耗。对于小功率的MOS管来说,其导通电阻通常在几mΩ至几十mΩ之间。

在导通和截止时,其电压和电流并非瞬间变化。在导通过程中,MOS管两端的电压逐渐下降,而流过的电流则逐渐上升。在这段时间内,由于电压和电流的乘积所产生的损失被称为开关损失。通常,开关损失远大于导通损失,并且随着开关频率的增加而增大。在导通瞬间,由于电压和电流的乘积很大,因此产生的损失也相应较大。为了减小这种损失,可以采取缩短开关时间或降低开关频率的措施。此外,选择合适的MOS管驱动也是至关重要的,因为驱动过程中需要对电容进行充放电,而瞬间短路电流的大小将直接影响驱动效果。

02MOS管在电路中的应用> 驱动电路设计

在实际应用中,电路设计需考虑MOS管的驱动和电流限制。例如,在低压应用场合下,需要选择标称Gate电压适当的MOS管以避免风险;而在宽电压应用场合下,则需要确保MOS管能够在不同的电压条件下稳定工作。

> 电压应用与挑战

输入电压并非一成不变,它会随时间或其他因素而发生波动。这种变动对MOS管驱动的影响和挑战,使得PWM电路为MOS管提供的驱动电压变得不稳定。为了确保MOS管在高VGate下能够安全工作,许多MOS管内置了稳压管来限制VGate的幅度。然而,当提供的驱动电压超出稳压管的设定时,会产生不必要的静态功耗。

> 解决VGate问题的电路设计

另一方面,若单纯通过电阻分压来降低VGate,便会出现输入电压高时MOS管工作正常,而输入电压降低时VGate不足,导致导通不充分,进而增加功耗。因此,电路需要能够为NMOS提供稳定的VGate,并在PMOS中实现隔离。

深入解读MOS管

图1展示了为NMOS设计的驱动电路。该电路旨在解决上述提到的VGate问题,确保在高VGate下MOS管的安全工作,并降低不必要的静态功耗。

深入解读MOS管

图2展示了为PMOS设计的驱动电路。其中,Vl和Vh分别代表低端和高端电源,这两个电压值通常相等,但Vl不应超过Vh。电路中,Q1和Q2构成一个反置的图腾柱,旨在实现输入与输出之间的隔离,同时确保Q3和Q4两只驱动管不会同时导通。R2和R3用于提供PWM电压基准,通过调整该基准,可使电路在PWM信号波形陡峭处保持稳定工作。Q3和Q4负责提供驱动电流,其导通时相对Vh和GND的压降仅为Vce,通常约为0.3V,远低于0.7V的Vce。此外,R5和R6作为反馈电阻,用于采样gate电压,并通过Q5对Q1和Q2的基极产生负反馈,从而将gate电压限制在安全范围内,该范围可通过R5和R6进行调节。R1和R4分别用于限制Q3和Q4的基极电流以及MOS管的gate电流,即限制Ice。必要时,可在R4上并联加速电容以优化性能。

优点

高输入阻抗

MOS管的栅极通过绝缘的SiO2氧化层与半导体衬底隔离,因此栅极电流极小(近乎为零),输入阻抗非常高,通常可达 108Ω 以上。

高输入阻抗使得MOS管在信号传输中不会对信号源造成负载,适合用于高阻抗信号源的放大和驱动,常用于模拟信号放大、传感器信号处理等场景。

低导通电阻( Rds(on) )

在导通状态下,MOS管的漏极与源极之间的电阻 RDS(ON) 可以非常小,通常在几十到几百毫欧。

低导通电阻使得MOS管在导通状态下功耗低、效率高,适用于电源管理、电机驱动、功率放大等需要高效导通的场景。

开关速度快

MOS管的开关速度主要由栅极电荷 Qg 和寄生电容( Ciss 、 Coss 、 Crss )决定,通常可以达到纳秒级甚至更快。

快速的开关特性使其适合高频应用,能够有效减少开关损耗。

驱动简单

MOS管的导通和截止状态主要由栅-源极之间的电压 Vgs 控制,而不是电流控制。

这种电压控制特性使得MOS管的驱动电路简单,功耗低,适合用于数字电路、微控制器输出驱动和开关电源等。

热稳定性好

MOS管在高温环境下仍能保持较好的性能,其特性受温度影响相对较小,阈值电压 Vgsth 和导通电阻 RDS(ON) 在一定温度范围内变化较小,适合高功率、高温度的应用场景。

易于集成

MOS管的制造工艺适合大规模集成电路生产,能够减小电路尺寸和成本。

静态功耗低

MOS管在截止状态下漏电流极小(通常在纳安级),静态功耗很低,非常适合用于低功耗设备,如:便携式电子设备、传感器节点等。

耐压范围广

MOS管的漏源击穿电压 VDSS 可以从几伏到数千伏,能够满足不同电压等级的应用需求。

可靠性高

MOS管的结构相对简单,制造工艺成熟,可靠性高,使用寿命长。

缺点

存在寄生效应

MOS管存在寄生电容和寄生电感,这些寄生效应会影响其高频性能,在高频应用中需要特别注意寄生效应的补偿和优化。

易受静电损坏

MOS管的输入电阻大,而栅-源极间电容又非常小,所以极易受外界电磁场或静电感应而带电,少量电荷就可能在极间电容上形成相当高的电压( U=QC ),从而将MOS管击穿。

MOS管静电击穿有两种方式:

一是电压型,即栅极的薄氧化层发生击穿,形成针孔,使栅-源极间或者栅-漏极间短路;

二是功率型,即金属化薄膜铝条被熔断,造成栅极开路或者是源极开路。

所以MOS管的栅极一般不要悬空,最好在栅-源极间接一个电阻,可以起到快速释放GS间电荷的作用;另外MOS管存储时也需要特别注意防静电。

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