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      總結(jié)MOSFET管驅(qū)動電路基礎(chǔ)

      發(fā)布時間:2018-03-02 來源:電子發(fā)燒友 責(zé)任編輯:lina

      【導(dǎo)讀】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。


      前言
       
      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)用二極管有時不畫)
       



       
       
      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。可以看出小電流時,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,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。現(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)通時的波形。可以看出,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)時間,可以減小每次導(dǎo)通時的損失;降低開關(guān)頻率,可以減小單位時間內(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)通時源極電壓與漏極電壓(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。現(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。



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