MOS管开关电路设计知识（二）
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发表于 2014/12/5 23:09:12
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MOS 管( MOSFET)基础知识:结构,特性驱动电路及应用分析
下面是我对 MOSFET 及 MOSFET 驱动电路基础的一点总结， 其中参考了一些资料， 非全部原创。 包括 MOS 管的介绍，特性，驱动以及应用电路。
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 ） ，这个二极管很重要。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 管导通特性
导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。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 4V或 10V 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。
3，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。
4，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。
下面是我对 MOSFET 及 MOSFET 驱动电路基础的一点总结， 其中参考了一些资料， 非全部原创。 包括 MOS 管的介绍，特性，驱动以及应用电路。
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 ） ，这个二极管很重要。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 管导通特性
导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。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 4V或 10V 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。
3，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。
4，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。
