什么是MOS管?它有什么作用?MOS管可以說是工程師最熟悉的器件之一，不過MOS管我們天天見，但是不乏一些剛入行的工程師、甚至是少數行業(yè)老手對于MOS的基礎理論的掌握不是很牢固，所以專門寫一篇文章為大家總結一下MOS的開關原理和基礎知識。

    一般來說，普遍用于高端驅動的 MOS，導通時需要是柵極電壓大于源極電壓，而高端驅動的 MOS 管導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。如果在同一個系統里，要得到比 VCC 大的電壓，就要專門的升壓電路了。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。

    MOS 管是電壓驅動，按理說只要柵極電壓到到開啟電壓就能導通 DS，柵極串多大電阻均能導通。但如果要求開關頻率較高時，柵對地或 VCC 可以看做是一個電容，對于一個電容來說，串的電阻越大，柵極達到導通電壓時間越長，MOS 處于半導通狀態(tài)時間也越長，在半導通狀態(tài)內阻較大，發(fā)熱也會增大，極易損壞 MOS，所以高頻時柵極柵極串的電阻不但要小，一般要加前置驅動電路的。

    下面我們先來了解一下

    MOS 管開關的基礎知識

    No.1 MOS 管種類和結構

    MOSFET 管是 FET 的一種(另一種是 JFET)，可以被制造成增強型或耗盡型，P 溝道或 N 溝道共 4 種類型，但實際應用的只有增強型的 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 指的就是這兩種。對于這兩種增強型 MOS 管，比較常用的是 NMOS —— 原因是導通電阻小，且容易制造，所以開關電源和馬達驅動的應用中，一般都用 NMOS。

    MOS 管的三個管腳之間有寄生電容存在，這不是我們需要的，而是由于制造工藝限制產生的。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，后邊再詳細介紹。在 MOS 管的漏極和源極之間有一個寄生二極管，這個叫體二極管，在驅動感性負載(如馬達)，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，在集成電路芯片內部通常是沒有的。

    No.2 MOS 管導通特性

    導通的意思是作為開關，相當于開關閉合。

    NMOS 的特性，Vgs 大于一定的值就會導通，適合用于源極接地時的情況(低端驅動)，只要柵極電壓達到 4V 或 10V 就可以了。PMOS 的特性，Vgs 小于一定的值就會導通，適合用于源極接 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，但由于導通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅動中，通常還是使用 NMOS。

    No.3 MOS 開關管損失

    不管是 NMOS 還是 PMOS，導通后都有導通電阻存在，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通損耗。選擇導通電阻小的 MOS 管會減小導通損耗?，F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，MOS 管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多，而且開關頻率越快，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?？s短開關時間，可以減小每次導通時的損失;降低開關頻率，可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。

    No.4 MOS 管驅動

    跟雙極性晶體管相比，一般認為使 MOS 管導通不需要電流，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 管的結構中可以看到，在 GS 和 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電流，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。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。

    而在進行 MOSFET 的選擇時，因為 MOSFET 有兩大類型：N 溝道和 P 溝道。在功率系統中，MOSFET 可被看成電氣開關。當在 N 溝道 MOSFET 的柵極和源極間加上正電壓時，其開關導通。導通時，電流可經開關從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內阻，稱為導通電阻 RDS(ON)。

    必須清楚 MOSFET 的柵極是個高阻抗端，因此，總是要在柵極加上一個電壓，這就是后面介紹電路圖中柵極所接電阻至地。如果柵極為懸空，器件將不能按設計意圖工作，并可能在不恰當的時刻導通或關閉，導致系統產生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時，開關關閉，而電流停止通過器件。雖然這時器件已經關閉，但仍然有微小電流存在，這稱之為漏電流，即 IDSS。

    第一步：選用 N 溝道還是 P 溝道

    為設計選擇正確器件的第一步是決定采用 N 溝道還是 P 溝道 MOSFET。在典型的功率應用中，當一個 MOSFET 接地，而負載連接到干線電壓上時，該 MOSFET 就構成了低壓側開關。在低壓側開關中，應采用 N 溝道 MOSFET，這是出于對關閉或導通器件所需電壓的考慮。

    當 MOSFET 連接到總線及負載接地時，就要用高壓側開關。通常會在這個拓撲中采用 P 溝道 MOSFET，這也是出于對電壓驅動的考慮。

    第二步：確定額定電流

    第二步是選擇 MOSFET 的額定電流，視電路結構而定，該額定電流應是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設計人員必須確保所選的 MOSFET 能承受這個額定電流，即使在系統產生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。

    在連續(xù)導通模式下，MOSFET 處于穩(wěn)態(tài)，此時電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件，一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可。

    選好額定電流后，還必須計算導通損耗。在實際情況下，MOSFET 并不是理想的器件，因為在導電過程中會有電能損耗，這稱之為導通損耗。MOSFET 在“導通”時就像一個可變電阻，由器件的 RDS(ON)所確定，并隨溫度而顯著變化。

    器件的功率耗損可由 Iload2×RDS(ON)計算，由于導通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會隨之按比例變化。對 MOSFET 施加的電壓 VGS 越高，RDS(ON)就會越小，反之 RDS(ON)就會越高。

    對系統設計人員來說，這就是取決于系統電壓而需要折中權衡的地方。對便攜式設計來說，采用較低的電壓比較容易(較為普遍)，而對于工業(yè)設計，可采用較高的電壓。注意 RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升，關于 RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在制造商提供的技術資料表中查到。

    第三步：確定熱要求

    選擇 MOSFET 的下一步是計算系統的散熱要求。設計人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結果，因為這個結果提供更大的安全余量，能確保系統不會失效。在 MOSFET 的資料表上還有一些需要注意的測量數據，比如封裝器件的半導體結與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結溫。

    器件的結溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結溫=最大環(huán)境溫度+[熱阻×功率耗散])，根據這個方程可解出系統的最大功率耗散，即按定義相等于 I2×RDS(ON)。由于設計人員已確定將要通過器件的最大電流，因此可以計算出不同溫度下的 RDS(ON)。值得注意的是，在處理簡單熱模型時，設計人員還必須考慮半導體結 / 器件外殼及外殼 / 環(huán)境的熱容量，即要求印刷電路板和封裝不會立即升溫。

    通常，一個 PMOS 管，會有寄生的二極管存在，該二極管的作用是防止源漏端反接，對于 PMOS 而言，比起 NMOS 的優(yōu)勢在于它的開啟電壓可以為 0,而 DS 電壓之間電壓相差不大，而 NMOS 的導通條件要求 VGS 要大于閾值，這將導致控制電壓必然大于所需的電壓，會出現不必要的麻煩。

    選用 PMOS 作為控制開關，有下面兩種應用：

    1

    由 PMOS 來進行電壓的選擇，當 V8V 存在時，此時電壓全部由 V8V 提供，將 PMOS 關閉，VBAT 不提供電壓給 VSIN，而當 V8V 為低時，VSIN 由 8V 供電。注意 R120 的接地，該電阻能將柵極電壓穩(wěn)定地拉低，確保 PMOS 的正常開啟，這也是前文所描述的柵極高阻抗所帶來的狀態(tài)隱患。D9 和 D10 的作用在于防止電壓的倒灌。D9 可以省略。這里要注意到實際上該電路的 DS 接反，這樣由附生二極管導通導致了開關管的功能不能達到，實際應用要注意。

    2

    來看這個電路，控制信號 PGC 控制 V4.2 是否給 P_GPRS 供電。此電路中，源漏兩端沒有接反，R110 與 R113 存在的意義在于 R110 控制柵極電流不至于過大，R113 控制柵極的常態(tài)，將 R113 上拉為高，截至 PMOS，同時也可以看作是對控制信號的上拉。當 MCU 內部管腳并沒有上拉時，即輸出為開漏時，并不能驅動 PMOS 關閉，此時，就需要外部電壓給予的上拉，所以電阻 R113 起到了兩個作用。R110 可以更小，到 100 歐姆也可。

    No.5 MOS 管的開關特性

    靜態(tài)特性

    MOS 管作為開關元件，同樣是工作在截止或導通兩種狀態(tài)。由于 MOS 管是電壓控制元件，所以主要由柵源電壓 uGS 決定其工作狀態(tài)。

    工作特性如下：

    uGS 開啟電壓 UT：MOS 管工作在截止區(qū)，漏源電流 iDS 基本為 0，輸出電壓 uDS≈UDD，MOS 管處于“斷開”狀態(tài)，其等效電路如下圖所示。

    uGS>開啟電壓 UT：MOS 管工作在導通區(qū)，漏源電流 iDS=UDD/(RD+rDS)。其中，rDS 為 MOS 管導通時的漏源電阻。輸出電壓 UDS=UDD·rDS/(RD+rDS)，如果 rDS《RD，則 uDS≈0V，MOS 管處于“接通”狀態(tài)，其等效電路如上圖(c)所示。

    動態(tài)特性

    MOS 管在導通與截止兩種狀態(tài)發(fā)生轉換時同樣存在過渡過程，但其動態(tài)特性主要取決于與電路有關的雜散電容充、放電所需的時間，而管子本身導通和截止時電荷積累和消散的時間是很小的。下圖分別給出了一個 NMOS 管組成的電路及其動態(tài)特性示意圖。

    NMOS 管動態(tài)特性示意圖

    當輸入電壓 ui 由高變低，MOS 管由導通狀態(tài)轉換為截止狀態(tài)時，電源 UDD 通過 RD 向雜散電容 CL 充電，充電時間常數τ1=RDCL，所以，輸出電壓 uo 要通過一定延時才由低電平變?yōu)楦唠娖健?/p>

    當輸入電壓 ui 由低變高，MOS 管由截止狀態(tài)轉換為導通狀態(tài)時，雜散電容 CL 上的電荷通過 rDS 進行放電，其放電時間常數τ2≈rDSCL?？梢姡敵鲭妷?Uo 也要經過一定延時才能轉變成低電平。但因為 rDS 比 RD 小得多，所以，由截止到導通的轉換時間比由導通到截止的轉換時間要短。

    由于 MOS 管導通時的漏源電阻 rDS 比晶體三極管的飽和電阻 rCES 要大得多，漏極外接電阻 RD 也比晶體管集電極電阻 RC 大，所以，MOS 管的充、放電時間較長，使 MOS 管的開關速度比晶體三極管的開關速度低。不過，在 CMOS 電路中，由于充電電路和放電電路都是低阻電路，因此，其充、放電過程都比較快，從而使 CMOS 電路有較高的開關速度。以上就是MOS管的原理解析，希望能給大家?guī)椭?/p>