【MOS管介紹】
在使用MOS管設計開關電源或者馬達驅動電路的時候,一般都要考慮MOS的導通電阻,最大電壓等,最大電流等因素。
MOSFET管是FET的一種,可以被製造成增強型或耗盡型,P溝道或N溝道共4種類型,一般主要應用的為增強型的NMOS管和增強型的PMOS管,所以通常提到的就是這兩種。
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製造。所以開關電源和馬達驅動的應用中,一般都用NMOS。
在MOS管內部,漏極和源極之間會寄生一個二極體。這個叫體二極體,在驅動感性負載(如馬達),這個二極體很重要,並且只在單個的MOS管中存在此二極體,在集成電路晶片內部通常是沒有的。
MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在,這不是我們需要的,而是由於製造工藝限制產生的。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。
【MOS管主要參數】
1.開啟電壓 VT
開啟電壓 (又稱閾值電壓) :使得源極 S 和漏極 D 之間開始形成導電溝道所需的柵極電壓;·標準的 N 溝道 MOS 管, VT 約為 3~6V ; ·通過工藝上的改進,可以使 MOS 管的 VT 值降到 2~3V。
2. 直流輸入 電阻 RGS
即在柵源極之間加的電壓與柵極電流之比·這一特性有時以流過柵極的柵流表示·MOS 管的 RGS 可以很容易地超過 1010Ω。
3. 漏源擊穿電壓 BVDS
在 VGS=0 (增強型)的條件下 ,在增加漏源電壓過程中使 ID 開始劇增時的 VDS 稱為漏源擊穿電壓 BVDS ·ID 劇增的原因有下列兩個方面:(1)漏極附近耗盡層的雪崩擊穿(2)漏源極間的穿通擊穿·有些 MOS 管中,其溝道長度較短, 不斷增加 VDS 會使漏區的耗盡層一直擴展到源區,使溝道長度為零,即產生漏源間的穿通, 穿通後, 源區中的多數載流子,將直接受耗盡層電場的吸引,到達漏區,產生大的 ID
4. 柵源擊穿 電壓 BVGS
在增加柵源電壓過程中,使柵極電流 IG 由零開始劇增時的 VGS ,稱為柵源擊穿電壓BVGS 。
5. 低頻跨導 gm
在 VDS 為某一固定數值的條件下 ,漏極電流的微變量和引起這個變化的柵源電壓微變量之比稱為跨導·gm 反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力·是表徵 MOS 管放大能力的一個重要參數·一般在十分之幾至幾 mA/V 的範圍內。
6. 導通電阻 RON ·
導通電阻 RON 說明了 VDS 對 ID 的影響 ,是漏極特性某一點切線的斜率的倒數·在飽和區, ID 幾乎不隨 VDS 改變, RON 的數值很大,一般在幾十千歐到幾百千歐之間 ·由於在數字電路中 ,MOS 管導通時經常工作在 VDS=0 的狀態下,所以這時的導通電阻 RON 可用原點的 RON 來近似·對一般的 MOS 管而言, RON 的數值在幾百歐以內
7. 極間電容
三個電極之間都存在著極間電容:柵源電容 CGS 、柵漏電容 CGD 和漏源電容 CDS ·CGS 和 CGD 約為 1~3pF ·CDS 約在 0.1~1pF 之間
8. 低頻噪聲係數 NF
噪聲是由管子內部載流子運動的不規則性所引起的·由於它的存在,就使一個放大器即便在沒有信號輸人時,在輸出端也出現不規則的電壓或電流變化·噪聲性能的大小通常用噪聲係數 NF 來表示,它的單位為分貝( dB ) ·這個數值越小,代表管子所產生的噪聲越小·低頻噪聲係數是在低頻範圍內測出的噪聲係數·場效應管的噪聲係數約為幾個分貝,它比雙極性三極體的要小。
【MOS管導通特性】
導通的意思是作為開關,相當於開關閉合。
NMOS的特性,Vgs大於一定的值就會導通,適合用於源極接地時的情況(低端驅動),只要柵極電壓達到一定電壓(如4V或10V, 其他電壓,看手冊)就可以了。
PMOS的特性,Vgs小於一定的值就會導通,適合用於源極接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,但由於導通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅動中,通常還是使用NMOS。
【MOS開關管損失】
不管是NMOS還是PMOS,導通後都有導通電阻存在,因而在DS間流過電流的同時,兩端還會有電壓,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。現在的小功率MOS管導通電阻一般在幾毫歐,幾十毫歐左右
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,導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。
【MOS管驅動】
MOS管導通不需要電流,只要GS電壓高於一定的值,就可以了。但是,我們還需要速度。
在MOS管的結構中可以看到,在GS,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,(因為電容器上的電壓不能突變,當用指針萬用表給電容充電瞬間,電容器相當於短路,這時電流達到最大,隨著電容器上的電荷逐漸的增加,充點電流就逐漸的減少。所以萬用表的指針會擺動。)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。
【Mosfet參數含義說明】
Features:Vds: DS擊穿電壓.當Vgs=0V時,MOS的DS所能承受的最大電壓Rds(on):DS的導通電阻.當Vgs=10V時,MOS的DS之間的電阻Id: 最大DS電流.會隨溫度的升高而降低Vgs: 最大GS電壓.一般為:-20V~+20VIdm: 最大脈衝DS電流.會隨溫度的升高而降低,體現一個抗衝擊能力,跟脈衝時間也有關係Pd: 最大耗散功率Tj: 最大工作結溫,通常為150度和175度Tstg: 最大存儲溫度Iar: 雪崩電流Ear: 重複雪崩擊穿能量Eas: 單次脈衝雪崩擊穿能量BVdss: DS擊穿電壓Idss: 飽和DS電流,uA級的電流Igss: GS驅動電流,nA級的電流.gfs: 跨導Qg: G總充電電量Qgs: GS充電電量Qgd: GD充電電量Td(on): 導通延遲時間,從有輸入電壓上升到10%開始到Vds下降到其幅值90%的時間Tr: 上升時間,輸出電壓 VDS 從 90% 下降到其幅值 10% 的時間Td(off): 關斷延遲時間,輸入電壓下降到 90% 開始到 VDS 上升到其關斷電壓時 10% 的時間Tf: 下降時間,輸出電壓 VDS 從 10% 上升到其幅值 90% 的時間 ( 參考圖 4) 。Ciss: 輸入電容,Ciss=Cgd + Cgs.Coss: 輸出電容,Coss=Cds +Cgd.Crss: 反向傳輸電容,Crss=Cgc.
Trr: 反向恢復時間
【MOS管總結】
普遍用於高端驅動的NMOS,導通時需要是柵極電壓大於源極電壓。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其他電壓,看手冊)。如果在同一個系統裡,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。
特別要說明的是,源極在MOSFET裡的意思是「提供多數載流子的來源」。對NMOS而言,多數載流子是電子;對PMOS而言,多數載流子是空穴。相對的,漏極就是接受多數載流子的端點。
功率MOS管有寄生的二極體,稱為體二極體,其恢復時間trr與存儲在體二極體內的多餘電荷成正比。一般功率MOS管的體恢復時間trr約為200ns。