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MOS管工作原理圖詳解-MOS管工作原理電路圖及結(jié)構(gòu)分析-MOS管
發(fā)布時間：2024-03-23 18:17:46 瀏覽：639次
MOS管工作原理圖詳解
MOS管是FET的一種(另一種是JFET)，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NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。
對于這兩種增強(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。所以開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動的應(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(chǎn)生的。寄生電容的存在使得在設(shè)計或選擇驅(qū)動電路的時候要麻煩一些，但沒有辦法避免，后邊再詳細(xì)介紹。
在MOS管工作原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管，在驅(qū)動感性負(fù)載(如馬達(dá))，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(nèi)部通常是沒有的。
MOS管工作原理圖電源開關(guān)電路詳解
它一般有耗盡型和增強(qiáng)型兩種。本文使用的為增強(qiáng)型MOS
MOS管，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見mos管工作原理圖。它可分為NPN型PNP型。NPN型通常稱為N溝道型，PNP型也叫P溝道型。由圖可看出，對于N溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上，同樣對于P溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。我們知道一般三極管是由輸入的電流控制輸出的電流。但對于場效應(yīng)管，其輸出電流是由輸入的電壓（或稱電場）控制，可以認(rèn)為輸入電流極小或沒有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時這也是我們稱之為場效應(yīng)管的原因。
為解釋MOS管工作原理圖，我們先了解一下僅含有一個P—N結(jié)的二極管的工作過程。如圖所示，我們知道在二極管加上正向電壓（P端接正極，N端接負(fù)極）時，二極管導(dǎo)通，其PN結(jié)有電流通過。這是因為在P型半導(dǎo)體端為正電壓時，N型半導(dǎo)體內(nèi)的負(fù)電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導(dǎo)體端，而P型半導(dǎo)體端內(nèi)的正電子則朝N型半導(dǎo)體端運(yùn)動，從而形成導(dǎo)通電流。同理，當(dāng)二極管加上反向電壓（P端接負(fù)極，N端接正極）時，這時在P型半導(dǎo)體端為負(fù)電壓，正電子被聚集在P型半導(dǎo)體端，負(fù)電子則聚集在N型半導(dǎo)體端，電子不移動，其PN結(jié)沒有電流通過，二極管截止。
對于MOS管（見圖），在柵極沒有電壓時，由前面分析可知，在源極與漏極之間不會有電流流過，此時MOS管與截止?fàn)顟B(tài)（圖a）。當(dāng)有一個正電壓加在N溝道的MOS管。
MOS管柵極上時，由于電場的作用，此時N型半導(dǎo)體的源極和漏極的負(fù)電子被吸引出來而涌向柵極，但由于氧化膜的阻擋，使得電子聚集在兩個N溝道之間的P型半導(dǎo)體中（見圖b），從而形成電流，使源極和漏極之間導(dǎo)通。我們也可以想像為兩個N型半導(dǎo)體之間為一條溝，柵極電壓的建立相當(dāng)于為它們之間搭了一座橋梁，該橋的大小由柵壓的大小決定。圖給出了P溝道的MOS管。
MOS管工作原理圖工作過程，其工作原理類似這里不再重復(fù)。
下面簡述一下用C-MOS場效應(yīng)管（增強(qiáng)型MOS管）組成的應(yīng)用電路的工作過程（見圖）。電路將一個增強(qiáng)型P溝道MOS管和一個增強(qiáng)型N溝道MOS場效應(yīng)管組合在一起使用。當(dāng)輸入端為低電平時，P溝道MOS管導(dǎo)通，輸出端與電源正極接通。當(dāng)輸入端為高電平時，N溝道MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出端與電源地接通。在該電路中，P溝道MOS場效應(yīng)管和N溝道MOS場效應(yīng)管總是在相反的狀態(tài)下工作，其相位輸入端和輸出端相反。通過這種工作方式我們可以獲得較大的電流輸出。同時由于漏電流的影響，使得柵壓在還沒有到0V，通常在柵極電壓小于1到2V時，MOS場效應(yīng)管既被關(guān)斷。不同場效應(yīng)管其關(guān)斷電壓略有不同。也正因為如此，使得該電路不會因為兩管同時導(dǎo)通而造成電源短路。
由以上分析我們可以畫出mos管工作原理圖中MOS管電路部分的工作過程（見圖）。工作原理同前所述。
MOS管應(yīng)用電路
MOS管最顯著的特性是開關(guān)特性好，所以被廣泛應(yīng)用在需要電子開關(guān)的電路中，常見的如開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動，也有照明調(diào)光。
現(xiàn)在的MOS驅(qū)動，有幾個特別的需求：
1、低壓應(yīng)用
當(dāng)使用5V電源，這時候如果使用傳統(tǒng)的mos管工作原理圖圖騰柱結(jié)構(gòu)，由于三極管的be有0.7V左右的壓降，導(dǎo)致實際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時候，我們選用標(biāo)稱gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風(fēng)險。
同樣的問題也發(fā)生在使用3V或者其他低壓電源的場合。
2、寬電壓應(yīng)用
輸入電壓并不是一個固定值，它會隨著時間或者其他因素而變動。這個變動導(dǎo)致PWM電路提供給MOS管的驅(qū)動電壓是不穩(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)動電壓超過穩(wěn)壓管的電壓，就會引起較大的靜態(tài)功耗。
同時，如果簡單的用電阻分壓的原理降低gate電壓，就會出現(xiàn)輸入電壓比較高的時候，MOS管工作良好，而輸入電壓降低的時候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或者3.3V數(shù)字電壓，而功率部分使用12V甚至更高的電壓。兩個電壓采用共地方式連接。
這就提出一個要求，需要使用一個電路，讓低壓側(cè)能夠有效的控制高壓側(cè)的MOS管，同時高壓側(cè)的MOS管也同樣會面對1和2中提到的問題。
在這三種情況下，圖騰柱結(jié)構(gòu)無法滿足輸出要求，而很多現(xiàn)成的MOS驅(qū)動IC，似乎也沒有包含gate電壓限制的結(jié)構(gòu)。
于是我設(shè)計了一個相對通用的電路來滿足這三種需求。
mos管工作原理圖如下：
用于NMOS的驅(qū)動電路
用于PMOS的驅(qū)動電路
NMOS驅(qū)動電路做一個簡單分析
Vl和Vh分別是低端和高端的電源，兩個電壓可以是相同的，但是Vl不應(yīng)該超過Vh。
Q1和Q2組成了一個反置的圖騰柱，用來實現(xiàn)隔離，同時確保兩只驅(qū)動管Q3和Q4不會同時導(dǎo)通。
R2和R3提供了PWM電壓基準(zhǔn)，通過改變這個基準(zhǔn)，可以讓電路工作在PWM信號波形比較陡直的位置。
Q3和Q4用來提供驅(qū)動電流，由于導(dǎo)通的時候，Q3和Q4相對Vh和GND最低都只有一個Vce的壓降，這個壓降通常只有0.3V左右，大大低于0.7V的Vce。
R5和R6是反饋電阻，用于對gate電壓進(jìn)行采樣，采樣后的電壓通過Q5對Q1和Q2的基極產(chǎn)生一個強(qiáng)烈的負(fù)反饋，從而把gate電壓限制在一個有限的數(shù)值。這個數(shù)值可以通過R5和R6來調(diào)節(jié)。
最后，R1提供了對Q3和Q4的基極電流限制，R4提供了對MOS管的gate電流限制，也就是Q3和Q4的Ice的限制。必要的時候可以在R4上面并聯(lián)加速電容。
這個電路提供了如下的特性：
1，用低端電壓和PWM驅(qū)動高端MOS管。
2，用小幅度的PWM信號驅(qū)動高gate電壓需求的MOS管。
3，gate電壓的峰值限制
4，輸入和輸出的電流限制
5，通過使用合適的電阻，可以達(dá)到很低的功耗。
6，PWM信號反相。NMOS并不需要這個特性，可以通過前置一個反相器來解決。
在設(shè)計便攜式設(shè)備和無線產(chǎn)品時，提高產(chǎn)品性能、延長電池工作時間是設(shè)計人員需要面對的兩個問題。DC-DC轉(zhuǎn)換器具有效率高、輸出電流大、靜態(tài)電流小等優(yōu)點，非常適用于為便攜式設(shè)備供電。
DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計技術(shù)發(fā)展主要趨勢：
(1)高頻化技術(shù)：隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)變換器的體積也隨之減小，功率密度也得到大幅提升，動態(tài)響應(yīng)得到改善。小功率DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率將上升到兆赫級。
(2)低輸出電壓技術(shù)：隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器和便攜式電子設(shè)備的工作電壓越來越低，這就要求未來的DC-DC變換器能夠提供低輸出電壓以適應(yīng)微處理器和便攜式電子設(shè)備的要求。
這些技術(shù)的發(fā)展對電源芯片電路的設(shè)計提出了更高的要求。首先，隨著開關(guān)頻率的不斷提高，對于開關(guān)元件的性能提出了很高的要求，同時必須具有相應(yīng)的開關(guān)元件驅(qū)動電路以保證開關(guān)元件在高達(dá)兆赫級的開關(guān)頻率下正常工作。其次，對于電池供電的便攜式電子設(shè)備來說，電路的工作電壓低(以鋰電池為例，工作電壓 2.5～3.6V)，因此，電源芯片的工作電壓較低。
MOS管具有很低的導(dǎo)通電阻，消耗能量較低，在目前流行的高效DC-DC芯片中多采用MOS管作為功率開關(guān)。但是由于MOS管的寄生電容大，一般情況下 NMOS開關(guān)管的柵極電容高達(dá)幾十皮法。這對于設(shè)計高工作頻率DC-DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)管驅(qū)動電路的設(shè)計提出了更高的要求。
在低電壓ULSI設(shè)計中有多種CMOS、BiCMOS采用自舉升壓結(jié)構(gòu)的邏輯電路和作為大容性負(fù)載的驅(qū)動電路。這些電路能夠在低于1V電壓供電條件下正常工作，并且能夠在負(fù)載電容1～2pF的條件下工作頻率能夠達(dá)到幾十兆甚至上百兆赫茲。本文正是采用了自舉升壓電路，設(shè)計了一種具有大負(fù)載電容驅(qū)動能力的，適合于低電壓、高開關(guān)頻率升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動電路。電路基于Samsung AHP615 BiCMOS工藝設(shè)計并經(jīng)過Hspice仿真驗證，在供電電壓1.5V ，負(fù)載電容為60pF時，工作頻率能夠達(dá)到5MHz以上。
MOS開關(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(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會減小導(dǎo)通損耗?，F(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。
MOS在導(dǎo)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(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關(guān)損失。通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開關(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，造成的損失也就很大。縮短開關(guān)時間，可以減小每次導(dǎo)通時的損失;降低開關(guān)頻率，可以減小單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。
上圖是MOS管工作原理圖導(dǎo)通時的波形?？梢钥闯觯瑢?dǎo)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(guān)時間，可以減小每次導(dǎo)通時的損失;降低開關(guān)頻率，可以減小單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。
MOS管發(fā)熱原因分析
一款路由產(chǎn)品的硬件開發(fā)中，其中一項是客戶需要非標(biāo)準(zhǔn)POE供電，可輸出的POE供電電壓為12/24/30/48V切換，最大輸出功率設(shè)計為24W，電路采用反激式電源方案（電源芯片MP3910，芯片廠商提供方案），在調(diào)試該部分電路時出現(xiàn)MOS管（NMOS，SUD50N06）發(fā)熱嚴(yán)重，輸出電壓非帶載時正常，帶載時（開始帶載50%）,MOS管發(fā)熱嚴(yán)重，輸出電壓被拉低，不論是輸出哪一路電壓，輸出只有9V左右，TLV431的穩(wěn)壓值只有1V左右（正常選擇的型號Vref=2.5V），開始一直覺得問題出在TLV431上，后來換了板子竟發(fā)現(xiàn)可以正常穩(wěn)壓（應(yīng)該是上一個板子變壓器和MOS管出現(xiàn)問題，但沒回去驗證），但是mos管很燙，帶載不到十秒鐘就會冒煙，后來經(jīng)過與芯片方案的FAE溝通才發(fā)現(xiàn)，MSP3910的驅(qū)動MOS管的引腳gate腳與MOS管之間的限流電阻用錯物料，mos管工作原理圖是4.99歐，但實際用的是4.99K，更換電阻后可輸出正常電壓，MOS管也不會很燙。
下面是解決問題思路：
一、用示波器觀察所用MOS管的G極波形，如圖一所示 ，上升時間接近1.32us，下降時間接近<160ns（實測50ns），再看如圖二所示的手冊中對MOS驅(qū)動上升下降沿要求，上升時間要求<35ns，下降時間<80ns，可得結(jié)論：上升時間過長導(dǎo)致MOS管工作為線性狀態(tài)，非開關(guān)狀態(tài)（參看總結(jié)一），MOS管開通過程時間太長直接導(dǎo)致了MOS管的發(fā)熱嚴(yán)重。
二、解決：更換驅(qū)動限流電阻（圖二中Rg），由于當(dāng)時手里當(dāng)時沒有4.99歐電阻，更換為22歐的電阻后，G極波形如圖三所示，Ton和Toff已經(jīng)接近圖二要求的時間，MOS管24V時帶載27歐，輸出功率21.3W，輸出電壓正常，MOS管基本不發(fā)熱。
總結(jié)一：MOS管發(fā)熱原因小結(jié)
1、電路設(shè)計的問題，就是讓MOS管工作在線性的工作狀態(tài)，而不是在開關(guān)狀態(tài)。這也是導(dǎo)致MOS管發(fā)熱的一個原因。如果N-MOS做開關(guān)，G級電壓要比電源高幾V，才能完全導(dǎo)通，P-MOS則相反。沒有完全打開而壓降過大造成功率消耗，等效直流阻抗比較大，壓降增大，所以U*I也增大，損耗就意味著發(fā)熱。這是設(shè)計電路的最忌諱的錯誤；（本次產(chǎn)品測試問題點雖然不是出在電路設(shè)計上，但BOM做錯比設(shè)計錯誤往往更難分析）
2、頻率太高，主要是有時過分追求體積，導(dǎo)致頻率提高，MOS管上的損耗增大了，所以發(fā)熱也加大了；
3、沒有做好足夠的散熱設(shè)計，電流太高，MOS管標(biāo)稱的電流值，一般需要良好的散熱才能達(dá)到。所以ID小于最大電流，也可能發(fā)熱嚴(yán)重，需要足夠的輔助散熱片；
4、MOS管的選型有誤，對功率判斷有誤，MOS管內(nèi)阻沒有充分考慮，導(dǎo)致開關(guān)阻抗增大。
總結(jié)二：MOS管工作狀態(tài)分析
MOS管工作狀態(tài)有四種，開通過程、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過程，截止?fàn)顟B(tài)；
MOS管主要損耗：開關(guān)損耗，導(dǎo)通損耗，截止損耗，還有雪崩能量損耗，開關(guān)
損耗往往大于后者；
MOS管主要損壞原因：過流（持續(xù)大電流或瞬間超大電流），過壓（D-S，G-S被擊穿），靜電（個人認(rèn)為可屬于過壓）；
總結(jié)三：MOS管工作過程分析
MOS管工作過程非常復(fù)雜，里面變量很多，總之開關(guān)慢不容易導(dǎo)致米勒震蕩（介紹米勒電容，米勒效應(yīng)等，很詳細(xì)），但開關(guān)損耗會加大，發(fā)熱大；開關(guān)的速度快，損耗會減低，但是米勒震蕩很厲害，反而會使損耗增加。驅(qū)動電路布線和主回路布線要求很高，最終就是尋找一個平衡點，一般開通過程不超過1us；
總結(jié)四：MOS管的重要參數(shù)及選型
Qgs：柵極從0V充電到對應(yīng)電流米勒平臺時總充入電荷，這個時候給Cgs充電（相當(dāng)于Ciss，輸入電容）；
Qgd：整個米勒平臺的總充電電荷（不一定比Qgs大，僅指米勒平臺）；
Qg：總的充電電荷，包含Qgs，Qgd，以及之外的其它；
上述三個參數(shù)的單位是nc（納庫），一般為幾nc到幾十nc；
Rds（on）：導(dǎo)通內(nèi)阻，這個耐壓一定情況下，越小損耗；
總的選型規(guī)則：Qgs、Qgd、Qg較小，Rds（on）也較小的管。
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