MOS管及其扩展的知识

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作者 | 记得诚

转自 | 记得诚电子设计

今天的文章简单总结一下MOS管，如下是本文目录。

▉ 场效应管分类

场效应管分为结型（JFET）和金属-氧化物-半导体型（MOSFET）两种类型。

JFET的英文全称是Junction Field-Effect Transistor，也分为N沟道和P沟道两种，在实际中几乎不用。

MOSFET英文全称是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，应用广泛，MOSFET一般称MOS管。

MOSFET有增强型和耗尽型两大类，增强型和耗尽型每一类下面都有NMOS和PMOS。

增强型MOS管的英文为Enhancement MOS或者EMOS，耗尽型MOS管的英文为Depletion MOS或者DMOS。

一般主板上使用最多的是增强型MOS管，NMOS最多，一般多用在信号控制上，其次是PMOS，多用在电源开关等方面，耗尽型几乎不用。

▉ N和P区分

如下红色箭头指向G极的为NMOS，箭头背向G极的为PMOS。

▉ 寄生二极管

由于生产工艺，一般的MOS管会有一个寄生二极管，有的也叫体二极管。

红色标注的为体二极管

从上图可以看出NMOS和PMOS寄生二极管方向不一样，NMOS是由S极→D极，PMOS是由D极→S极。

寄生二极管和普通二极管一样，正接会导通，反接截止，对于NMOS，当S极接正，D极接负，寄生二极管会导通，反之截止；对于PMOS管，当D极接正，S极接负，寄生二极管导通，反之截止。

某些应用场合，也会选择走体二极管，以降低DS之间的压降（体二极管的压降是比MOS的导通压降大很多的），同时也要关注体二极管的过电流能力。

当满足MOS管的导通条件时，MOS管的D极和S极会导通，这个时候体二极管是截止状态 ，因为MOS管的导通内阻极小，一般mΩ级别，流过1A级别的电流，也才mV级别，所以D极和S极之间的导通压降很小，不足以使寄生二极管导通，这点需要特别注意。

▉ 导通条件

MOS管是压控型，导通由G和S极之间压差决定。

对NMOS来说，Vg-Vs>Vgs(th)，即G极和S极的压差大于一定值，MOS管会导通，但是也不能大太多，否则烧坏MOS管，开启电压和其他参数可以看具体器件的SPEC。

对PMOS来说，Vs-Vg>Vgs(th)，即S极和G极的压差大于一定值，MOS管会导通，同样的，具体参数看器件的SPEC。

▉ 基本开关电路

NMOS管开关电路

当GPIO_CTRL电压小于MOS管开启电压时，MOS管截止，OUT通过R1上拉到5V，OUT=5V。

当GPIO_CTRL电压大于MOS管开启电压时，MOS管导通，D极电压等于S极电压，即OUT=0V。

PMOS管开关电路

PMOS管最常用在电源开关电路中，下图所示，当GPIO_CRTL=0V时，S和G极压差大于MOS管开启电压时，MOS管导通，5V_VOUT=5V_VIN。

▉ 与三极管的区别

三极管是电流控制，MOS管是电压控制，主要有如下的区别：

1，只容许从信号源取少量电流的情况下，选用MOS管；在信号电压较低，有容许从信号源取较多电流的条件下，选用三极管。

2，MOS管是单极性器件（靠一种多数载流子导电），三极管是双极性器件（既有多数载流子，也要少数载流子导电）。

3，有些MOS管的源极和漏极可以互换运用，栅极也可正可负，灵活性比三极管好。

4，MOS管应用普遍，可以在很小电流和很低电压下工作。

5，MOS管输入阻抗大，低噪声，MOS管较贵，三极管的损耗大。

6，MOS管常用来作为电源开关，以及大电流开关电路、高频高速电路中，三极管常用来数字电路开关控制。

▉ G和S极串联电阻的作用

MOS管的输入阻抗很大，容易受到外界信号的干扰，只要少量的静电，就能使G-S极间等效电容两端产生很高的电压，如果不及时把静电释放掉，两端的高压容易使MOS管产生误动作，甚至有可能击穿G-S极，起到一个固定电平的作用。

▉ G极串联电阻的作用

MOS管是压控型，有的情况下，为什么还需要在G极串联一个电阻呢？

1，减缓Rds从无穷大到Rds(on)。

2，防止震荡，一般单片机的I/O输出口都会带点杂散电感，在电压突变的情况下，可能与栅极电容形成LC震荡，串联电阻可以增大阻尼减小震荡效果。

3，减小栅极充电峰值电流。

▉ MOS管的米勒效应

关于MOS管的米勒效应，可以阅读文章： 臭名昭著的MOS管米勒效应

▉ 选型要点

1.电压值

关注Vds最大导通电压和Vgs最大耐压，实际使用中，不能超过这个值，否则MOS管会损坏。

关注导通电压Vgs(th)，一般MOS管都是用单片机进行控制，根据单片机GPIO的电平来选择合适导通阈值的MOS管，并且尽量留有一定的余量，以确保MOS可以正常开关。

2.电流值

关注ID电流，这个值代表了PMOS管的能流过多大电流，反应带负载的能力，超过这个值，MOS管也会损坏。

3.功率损耗

功率损耗需要关注以下几个参数，包括热阻、温度。热阻指的是当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值，单位是℃/W或者是K/W，热阻的公式为ThetaJA = (Tj-Ta)/P，和功率和环境温度都有关系。

4.导通内阻

导通内阻关注PMOS的Rds(on)参数，导通内阻越小，PMOS管的损耗越小，一般PMOS管的导通内阻都是在mΩ级别。

5.开关时间

MOS作为开关器件，就会有开关时间概念，在高速电路中，尽可能选择输入、输出电容Ciss&Coss小、开关时间Ton&Toff短的MOS管，以保证数据通信正常。

参数解释推荐阅读文章：带你读懂MOS管参数「热阻、输入输出电容及开关时间」

6.封装

根据PCB板的尺寸，选择合适的PMOS管尺寸，在板载面积有限的情况下，尽可能选择小封装；尽量选择常见封装，以备后续选择合适的替代料。

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