MOS管及其擴展的知識

2021-01-08 酷扯兒

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文章簡單總結一下MOS管,如下是本文目錄。

▉ 場效應管分類

場效應管分為結型(JFET)和金屬-氧化物-半導體型(MOSFET)兩種類型。

JFET的英文全稱是Junction Field-Effect Transistor,也分為N溝道和P溝道兩種,在實際中幾乎不用。

MOSFET英文全稱是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,應用廣泛,MOSFET一般稱MOS管。

MOSFET有增強型和耗盡型兩大類,增強型和耗盡型每一類下面都有NMOS和PMOS。

增強型MOS管的英文為Enhancement MOS或者EMOS,耗盡型MOS管的英文為Depletion MOS或者DMOS。

一般主板上使用最多的是增強型MOS管,NMOS最多,一般多用在信號控制上,其次是PMOS,多用在電源開關等方面,耗盡型幾乎不用。

▉ N和P區分

如下紅色箭頭指向G極的為NMOS,箭頭背向G極的為PMOS。

▉ 寄生二極體

由於生產工藝,一般的MOS管會有一個寄生二極體,有的也叫體二極體。

紅色標註的為體二極體

從上圖可以看出NMOS和PMOS寄生二極體方向不一樣,NMOS是由S極→D極,PMOS是由D極→S極。

寄生二極體和普通二極體一樣,正接會導通,反接截止,對於NMOS,當S極接正,D極接負,寄生二極體會導通,反之截止;對於PMOS管,當D極接正,S極接負,寄生二極體導通,反之截止。

某些應用場合,也會選擇走體二極體,以降低DS之間的壓降(體二極體的壓降是比MOS的導通壓降大很多的),同時也要關注體二極體的過電流能力。

當滿足MOS管的導通條件時,MOS管的D極和S極會導通,這個時候體二極體是截止狀態,因為MOS管的導通內阻極小,一般mΩ級別,流過1A級別的電流,也才mV級別,所以D極和S極之間的導通壓降很小,不足以使寄生二極體導通,這點需要特別注意。

▉ 導通條件

MOS管是壓控型,導通由G和S極之間壓差決定。

對NMOS來說,Vg-Vs>Vgs(th),即G極和S極的壓差大於一定值,MOS管會導通,但是也不能大太多,否則燒壞MOS管,開啟電壓和其他參數可以看具體器件的SPEC。

對PMOS來說,Vs-Vg>Vgs(th),即S極和G極的壓差大於一定值,MOS管會導通,同樣的,具體參數看器件的SPEC。

▉ 基本開關電路

NMOS管開關電路

當GPIO_CTRL電壓小於MOS管開啟電壓時,MOS管截止,OUT通過R1上拉到5V,OUT=5V。

當GPIO_CTRL電壓大於MOS管開啟電壓時,MOS管導通,D極電壓等於S極電壓,即OUT=0V。

PMOS管開關電路

PMOS管最常用在電源開關電路中,下圖所示,當GPIO_CRTL=0V時,S和G極壓差大於MOS管開啟電壓時,MOS管導通,5V_VOUT=5V_VIN。

▉ 與三極體的區別

三極體是電流控制,MOS管是電壓控制,主要有如下的區別:

1,只容許從信號源取少量電流的情況下,選用MOS管;在信號電壓較低,有容許從信號源取較多電流的條件下,選用三極體。

2,MOS管是單極性器件(靠一種多數載流子導電),三極體是雙極性器件(既有多數載流子,也要少數載流子導電)。

3,有些MOS管的源極和漏極可以互換運用,柵極也可正可負,靈活性比三極體好。

4,MOS管應用普遍,可以在很小電流和很低電壓下工作。

5,MOS管輸入阻抗大,低噪聲,MOS管較貴,三極體的損耗大。

6,MOS管常用來作為電源開關,以及大電流開關電路、高頻高速電路中,三極體常用來數字電路開關控制。

▉ G和S極串聯電阻的作用

MOS管的輸入阻抗很大,容易受到外界信號的幹擾,只要少量的靜電,就能使G-S極間等效電容兩端產生很高的電壓,如果不及時把靜電釋放掉,兩端的高壓容易使MOS管產生誤動作,甚至有可能擊穿G-S極,起到一個固定電平的作用。

▉ G極串聯電阻的作用

MOS管是壓控型,有的情況下,為什麼還需要在G極串聯一個電阻呢?

1,減緩Rds從無窮大到Rds(on)。

2,防止震蕩,一般單片機的I/O輸出口都會帶點雜散電感,在電壓突變的情況下,可能與柵極電容形成LC震蕩,串聯電阻可以增大阻尼減小震蕩效果。

3,減小柵極充電峰值電流。

▉ MOS管的米勒效應

關於MOS管的米勒效應,可以閱讀文章:臭名昭著的MOS管米勒效應

▉ 選型要點

1.電壓值

關注Vds最大導通電壓和Vgs最大耐壓,實際使用中,不能超過這個值,否則MOS管會損壞。

關注導通電壓Vgs(th),一般MOS管都是用單片機進行控制,根據單片機GPIO的電平來選擇合適導通閾值的MOS管,並且儘量留有一定的餘量,以確保MOS可以正常開關。

2.電流值

關注ID電流,這個值代表了PMOS管的能流過多大電流,反應帶負載的能力,超過這個值,MOS管也會損壞。

3.功率損耗

功率損耗需要關注以下幾個參數,包括熱阻、溫度。熱阻指的是當有熱量在物體上傳輸時,在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值,單位是℃/W或者是K/W,熱阻的公式為ThetaJA = (Tj-Ta)/P,和功率和環境溫度都有關係。

4.導通內阻

導通內阻關注PMOS的Rds(on)參數,導通內阻越小,PMOS管的損耗越小,一般PMOS管的導通內阻都是在mΩ級別。

5.開關時間

MOS作為開關器件,就會有開關時間概念,在高速電路中,儘可能選擇輸入、輸出電容Ciss&Coss小、開關時間Ton&Toff短的MOS管,以保證數據通信正常。

參數解釋推薦閱讀文章:帶你讀懂MOS管參數「熱阻、輸入輸出電容及開關時間」

6.封裝

根據PCB板的尺寸,選擇合適的PMOS管尺寸,在板載面積有限的情況下,儘可能選擇小封裝;儘量選擇常見封裝,以備後續選擇合適的替代料。

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