MOS管基础知识

      MOS管是FET的一种,可以被制作成增强型和耗尽型,P沟道或N沟道类型,在我们开关电源设计时,一般使用的是增强型N沟道MOS和增强型P沟道这两类MOS管,对于这两类MOS管,我们更常见的应该是NMOS,这是因为我们在选型时都会考虑MOS的导通电阻、最大电压、最大电流等等因素,相对于P沟道的MOS管,N沟道的MOS管导通电阻较小,且较于容易制作,所以开关电源中一般都采用NMOS。

        我们在电路图中一般都可以看到,MOS管的漏极和源极之间有一个寄生二极管,这个二极管我们称为体二极管,在驱动负载时,这个二极管起着很重要的作用,还有在原理图上看不到的是MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在,而这个寄生电容对于我们电源设计人员选择驱动电路时会麻烦一些,但这个是由于制造工艺限制产生的,是无法避免的。

        对于MOS管导通,N沟道和P沟道是不一样的,对于N沟道的MOS管,当Vgs大于一定数值就会导通,所以这类MOS管适合用于源极接地的低端驱动,只要栅极电压达到4V或者10V就可以了;而对于PMOS管,当Vgs小于一定的数值就会导通,适合用于源极接VCC的高端驱动,虽然PMOS可以很方便的用于高端驱动,但是由于导通电阻大,价格贵、替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是选择使用NMOS。

        不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻上消耗能量, 这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率 MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧的也有。MOS在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程,流 过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损 失。通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越快,损失也越大。导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大。缩短开关时间,可以减小每次导通时 的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

       下面,我们以一个例子来简单说一下NMOS的工作原理:

        Vl和Vh分别是低端和高端的电源,两个电压可以是相同的,但是Vl不应该超过Vh。

        Q1 和Q2 组成了一个反置的图腾柱,用来实现隔离,同时确保两只驱动管Q3 和Q4 不会同时导 通。

        R2 和R3 提供了PWM电压基准,通过改变这个基准,可以让电路工作在PWM信号波形比较陡 直的位置。

        Q3 和Q4 用来提供驱动电流,由于导通的时候,Q3 和Q4 相对Vh和GND最低都只有一个Vce 的压降,这个压降通常只有 0.3V左右,大大低于 0.7V的Vce。 

        R5 和R6 是反馈电阻,用于对gate电压进行采样,采样后的电压通过Q5 对Q1 和Q2 的基极产 生一个强烈的负反馈,从而把gate电压限制在一个有限的数值。这个数值可以通过R5 和R6 来 调节。 

        R1 提供了对Q3 和Q4 的基极电流限制,R4 提供了对MOS管的gate电流限制,也就是 Q3 和Q4 的Ice的限制。必要的时候可以在R4 上面并联加速电容。

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