【E課堂】MOSFET管驅(qū)動電路基礎(chǔ)總結(jié)

　　關(guān)于MOSFET很多人都不甚理解，這次小編再帶大家仔細(xì)梳理一下，也許對于您的知識系統(tǒng)更加全面。下面是對MOSFET及MOSFET驅(qū)動電路基礎(chǔ)的一點(diǎn)總結(jié)，其中參考了一些資料。

　　在使用MOS管設(shè)計(jì)開關(guān)電源或者馬達(dá)驅(qū)動電路的時(shí)候，大部分人都會考慮MOS的導(dǎo)通電阻，最大電壓等，最大電流等，也有很多人僅僅考慮這些因素。這樣的電路也許是可以工作的，但并不是優(yōu)秀的，作為正式的產(chǎn)品設(shè)計(jì)也是不允許的。

　　1、MOS管種類和結(jié)構(gòu)

　　MOSFET管是FET的一種(另一種是JFET)，可以被制造成增強(qiáng)型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。右圖是這兩種MOS管的符號。

　　至于為什么不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問底。

　　對于這兩種增強(qiáng)型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導(dǎo)通電阻小且容易制造。所以開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動的應(yīng)用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。

　　在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管，在驅(qū)動感性負(fù)載(如馬達(dá))，這個二極管很重要。順便說一句，體二極管只在單個的MOS管中存在，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒有的。下圖是MOS管的構(gòu)造圖，通常的原理圖中都畫成右圖所示的樣子。 (柵極保護(hù)用二極管有時(shí)不畫)

　　MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在，如右圖所示。這不是我們需要的，而是由于制造工藝限制產(chǎn)生的。寄生電容的存在使得在設(shè)計(jì)或選擇驅(qū)動電路的時(shí)候要麻煩一些，但沒有辦法避免，在MOS管的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)時(shí)再詳細(xì)介紹。

　　2、MOS管導(dǎo)通特性

　　導(dǎo)通的意思是作為開關(guān)，相當(dāng)于開關(guān)閉合。

　　NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況(低端驅(qū)動)，只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。

　　PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會導(dǎo)通，使用與源極接VCC時(shí)的情況(高端驅(qū)動)。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動中，通常還是使用NMOS。

　　右圖是瑞薩2SK3418的Vgs電壓和Vds電壓的關(guān)系圖?？梢钥闯鲂‰娏鲿r(shí)，Vgs達(dá)到4V，DS間壓降已經(jīng)很小，可以認(rèn)為導(dǎo)通。

　　3、MOS開關(guān)管損失

　　不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，因而在DS間流過電流的同時(shí)，兩端還會有電壓(如2SK3418特性圖所示)，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會減小導(dǎo)通損耗?，F(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。

　　MOS在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關(guān)損失。通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開關(guān)頻率越快，損失也越大。

　　下圖是MOS管導(dǎo)通時(shí)的波形?？梢钥闯?，導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。降低開關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失;降低開關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。

　　4、MOS管驅(qū)動

　　跟雙極性晶體管相比，一般認(rèn)為使MOS管導(dǎo)通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。這個很容易做到，但是，我們還需要速度。

　　在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動，實(shí)際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流，因?yàn)閷﹄娙莩潆娝查g可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動時(shí)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，普遍用于高端驅(qū)動的NMOS，導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓(VCC)相同，所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達(dá)驅(qū)動器都集成了電荷泵，要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動MOS管。

　　上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓，設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)然需要有一定的余量。而且電壓越高，導(dǎo)通速度越快，導(dǎo)通電阻也越小?，F(xiàn)在也有導(dǎo)通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里，但在12V汽車電子系統(tǒng)里，一般4V導(dǎo)通就夠用了。

　　MOS管的驅(qū)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(xì)，所以不打算多寫了。

　　5、MOS管應(yīng)用電路

　　MOS管最顯著的特性是開關(guān)特性好，所以被廣泛應(yīng)用在需要電子開關(guān)的電路中，常見的如開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動，也有照明調(diào)光。這三種應(yīng)用在各個領(lǐng)域都有詳細(xì)的介紹，這里就不多寫了。