在使用MOS管設計開關(guan) 電源或者馬達驅動電路的時候,大部分人都會(hui) 考慮MOS的導通電阻,最大電壓等,最大電流等,也有很多人僅(jin) 僅(jin) 考慮這些因素。這樣的電路也許是可以工作的,但並不是優(you) 秀的,作為(wei) 正式的產(chan) 品設計也是不允許的。
下麵是我對MOSFET及MOSFET驅動電路基礎的一點總結,其中參考了一些資料,非全部原創。包括MOS管的介紹,特性,驅動以及應用電路。
1,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,但實際應用的隻有增強型的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(liang) 種。
至於(yu) 為(wei) 什麽(me) 不使用耗盡型的MOS管,不建議刨根問底。
對於(yu) 這兩(liang) 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(guan) 電源和馬達驅動的應用中,一般都用NMOS。下麵的介紹中,也多以NMOS為(wei) 主。
MOS管的三個(ge) 管腳之間有寄生電容存在,這不是我們(men) 需要的,而是由於(yu) 製造工藝限製產(chan) 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管原理圖上可以看到,漏極和源極之間有一個(ge) 寄生二極管。這個(ge) 叫體(ti) 二極管,在驅動感性負載(如馬達),這個(ge) 二極管很重要。順便說一句,體(ti) 二極管隻在單個(ge) 的MOS管中存在,在集成電路芯片內(nei) 部通常是沒有的。
2,MOS管導通特性
導通的意思是作為(wei) 開關(guan) ,相當於(yu) 開關(guan) 閉合。
NMOS的特性,Vgs大於(yu) 一定的值就會(hui) 導通,適合用於(yu) 源極接地時的情況(低端驅動),隻要柵極電壓達到4V或10V就可以了。
PMOS的特性,Vgs小於(yu) 一定的值就會(hui) 導通,適合用於(yu) 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(yu) 導通電阻大,價(jia) 格貴,替換種類少等原因,在高端驅動中,通常還是使用NMOS。
3,MOS開關(guan) 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(hui) 在這個(ge) 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(hui) 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(liang) 端的電壓有一個(ge) 下降的過程,流過的電流有一個(ge) 上升的過程,在這段時間內(nei) ,MOS管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開關(guan) 損失。通常開關(guan) 損失比導通損失大得多,而且開關(guan) 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(guan) 時間,可以減小每次導通時的損失;降低開關(guan) 頻率,可以減小單位時間內(nei) 的開關(guan) 次數。這兩(liang) 種辦法都可以減小開關(guan) 損失。
4,MOS管驅動
跟雙極性晶體(ti) 管相比,一般認為(wei) 使MOS管導通不需要電流,隻要GS電壓高於(yu) 一定的值,就可以了。這個(ge) 很容易做到,但是,我們(men) 還需要速度。
在MOS管的結構中可以看到,在GS,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(ge) 電流,因為(wei) 對電容充電瞬間可以把電容看成短路,所以瞬間電流會(hui) 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。
第二注意的是,普遍用於(yu) 高端驅動的NMOS,導通時需要是柵極電壓大於(yu) 源極電壓。而高端驅動的MOS管導通時源極電壓與(yu) 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(ge) 係統裏,要得到比VCC大的電壓,就要專(zhuan) 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。
上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導通電壓,設計時當然需要有一定的餘(yu) 量。而且電壓越高,導通速度越快,導通電阻也越小。現在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領域裏,但在12V汽車電子係統裏,一般4V導通就夠用了。
MOS管的驅動電路及其損失,可以參考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。講述得很詳細,所以不打算多寫(xie) 了。
5,MOS管應用電路
MOS管最顯著的特性是開關(guan) 特性好,所以被廣泛應用在需要電子開關(guan) 的電路中,常見的如開關(guan) 電源和馬達驅動,也有照明調光。