全面解析MOS管特性、驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用電路
在使用MOS管設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源或者馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候,大部分人都會(huì)考慮MOS管的導(dǎo)通電阻、最大電壓、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。
下面是我對(duì)MOS及MOS驅(qū)動(dòng)電路基礎(chǔ)的一點(diǎn)總結(jié),其中參考了一些資料,并非原創(chuàng)。包括MOS管的介紹、特性、驅(qū)動(dòng)以及應(yīng)用電路。
MOSFET管FET的一種(另一種是JEFT),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,所以通常提到的NMOS,或者PMOS就是指這兩種。
至于為什么不適用號(hào)耗盡型的MOS管,不建議刨根問(wèn)底。
對(duì)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(kāi)關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中,一般都用NMOS,下面的介紹中,也多以NMOS為主。
MOS管的三個(gè)管教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(chǎn)生的,寄生電容的存在使得在設(shè)計(jì)或選擇驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候要麻煩一些,但沒(méi)有辦法避免,后邊再詳細(xì)介紹。
在MOS管原理圖上可以看到漏極和源極之間有一個(gè)寄生二極管,這個(gè)叫體二極管,在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載(如馬達(dá)),這個(gè)二極管很重要。順便說(shuō)一句,體二極管只在單個(gè)的MOS管中存在,在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒(méi)有的。
MOS管導(dǎo)通特性
導(dǎo)通的意思是作為開(kāi)關(guān),相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。
NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通,適用于源極接地的情況(低端驅(qū)動(dòng)),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(huì)導(dǎo)通,適用于源極接Vcc的情況(高端驅(qū)動(dòng))。但是,雖然PMOS可以很方便的用作高端驅(qū)動(dòng),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(dòng)中,通常還是用NMOS。
MOS開(kāi)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,這樣點(diǎn)電流就會(huì)在這個(gè)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(huì)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伏左右,幾豪歐的也有。
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(gè)下降的過(guò)程,流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程,在這段時(shí)間內(nèi),MOS管的損失時(shí)電壓和電流的乘積,叫做開(kāi)關(guān)損失。通常開(kāi)關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多,而且開(kāi)關(guān)頻率越快,損失也越大。
導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也很大??s短開(kāi)關(guān)時(shí)間,可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失,降低開(kāi)關(guān)頻率,可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。
MOS管驅(qū)動(dòng)
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(gè)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(dòng),實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流,因?yàn)殡娙莩潆娝查g可以把電容看成短路,所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓和漏極電壓(Vcc)相同,所以這是柵極電壓要比Vcc大4V或10V。如果在同一個(gè)系統(tǒng)里,要得到比Vcc大的電壓,就要專門(mén)的升壓電路了。很多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(dòng)MOS管。
上邊說(shuō)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,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(dòng)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(xiě)了。
MOS管應(yīng)用電路
MOS管最顯著的特性是開(kāi)關(guān)特性好,所以被廣泛應(yīng)用于需要電子開(kāi)關(guān)的電路中,常見(jiàn)的如開(kāi)關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路,也有照明調(diào)光。
現(xiàn)在的MOS驅(qū)動(dòng),有幾個(gè)特別的需求:
1. 低壓應(yīng)用
當(dāng)使用5V電源,這時(shí)候如果使用傳統(tǒng)的圖騰柱結(jié)構(gòu),由于三極管的be只有0.7V左右的壓降,導(dǎo)致實(shí)際最終加載gate上的電壓只有4.3V,這時(shí)候,我們選用標(biāo)稱gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。同樣的問(wèn)題也發(fā)生在使用3V或者其他低壓電源的場(chǎng)合。
2. 寬電壓應(yīng)用
輸入電壓并不是一個(gè)固定值,它會(huì)隨著時(shí)間或者其他因素而變動(dòng)。這個(gè)變動(dòng)導(dǎo)致PWM電路提供給MOS管的驅(qū)動(dòng)電壓是不穩(wěn)定的。
為了讓MOS管在高gate電壓下安全,很多MOS管內(nèi)置了穩(wěn)壓管強(qiáng)行限制gate電壓的幅值。在這種情況下,當(dāng)提供的驅(qū)動(dòng)電壓超過(guò)穩(wěn)壓管的電壓,就會(huì)引起較大的靜態(tài)功耗。
同時(shí),如果簡(jiǎn)單的用電阻分壓的原理降低gate電壓,就會(huì)出現(xiàn)輸入電壓比較高的時(shí)候,MOS管工作良好,而輸入電壓降低的時(shí)候gate電壓不足,引起導(dǎo)通不夠徹底,從而增加功耗。
3. 雙電壓應(yīng)用
在一些控制電路中,邏輯部分使用典型的5V或3.3V數(shù)字電壓,而功率部分使用12V甚至更高的電壓。兩個(gè)電壓采用共地方式連接。
這就提出一個(gè)要求,需要使用一個(gè)電路,讓低壓側(cè)能夠有效的控制高壓側(cè)的MOS管,同時(shí)高壓側(cè)的MOS管也同樣會(huì)面對(duì)1和2提到的問(wèn)題。
在這三種情況下,圖騰柱結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足輸出需求,而很多現(xiàn)成的MOS驅(qū)動(dòng)IC,似乎也沒(méi)有包含gate電壓限制的結(jié)構(gòu)。