MOS管 基礎(chǔ)知識(shí)與應(yīng)用new

1、MOS管 基礎(chǔ)知識(shí)與應(yīng)用1，MOS管種類和結(jié)構(gòu) MOSFET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(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NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。 至于為什么不使用耗盡型的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(jì)或選擇驅(qū)

2、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。2，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，適合用于源極接地時(shí)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，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換

3、種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS。 下圖是瑞薩2SK3418的Vgs電壓和Vds電壓的關(guān)系圖。可以看出小電流時(shí)，Vgs達(dá)到4V，DS間壓降已經(jīng)很小，可以認(rèn)為導(dǎo)通。 增強(qiáng)型 N溝道 是G大于D 5V以上即高電平時(shí)導(dǎo)通 增強(qiáng)型 P溝道 耗盡型 N溝道 是G小于D 5V以上即低電平時(shí)導(dǎo)通 耗盡型 P溝道3，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歐左右，幾毫歐的也有。 MOS在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，一定不是在瞬間完成

4、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管的損失是電壓和電流的乘積，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，造成的損失也就很大?？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。 下圖是MOS管導(dǎo)通時(shí)的波形?？梢钥闯?，導(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(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。4，MOS管驅(qū)動(dòng) 跟雙極性晶體管相比，一般

5、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)閷?duì)電容充電瞬間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)源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時(shí)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

6、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。現(xiàn)在也有導(dǎo)通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里，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。 下圖是MOS管導(dǎo)通時(shí)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(kāi)關(guān)時(shí)間

7、，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。 MOSFET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(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NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。5，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)用在需要電子開(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)，也有照明調(diào)光?，F(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有0.7V左右的壓降，導(dǎo)致實(shí)

8、際最終加在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)

9、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(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中提到的問(wèn)題。 在這三種情況下，圖騰柱結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足輸出要求，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)。 于是我設(shè)計(jì)了一個(gè)相對(duì)通用的電路來(lái)滿足這三種需求。 電路圖如下： 用于NMOS的驅(qū)動(dòng)電路用于PMOS的驅(qū)動(dòng)電路用于PMOS的驅(qū)動(dòng)電路這里我只針對(duì)NMOS驅(qū)動(dòng)電路做一個(gè)簡(jiǎn)單分析： Vl和Vh分別

10、是低端和高端的電源，兩個(gè)電壓可以是相同的，但是Vl不應(yīng)該超過(guò)Vh。 Q1和Q2組成了一個(gè)反置的圖騰柱，用來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離，同時(shí)確保兩只驅(qū)動(dòng)管Q3和Q4不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。 R2和R3提供了PWM電壓基準(zhǔn)，通過(guò)改變這個(gè)基準(zhǔn)，可以讓電路工作在PWM信號(hào)波形比較陡直的位置。 Q3和Q4用來(lái)提供驅(qū)動(dòng)電流，由于導(dǎo)通的時(shí)候，Q3和Q4相對(duì)Vh和GND最低都只有一個(gè)Vce的壓降，這個(gè)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(duì)gate電壓進(jìn)行采樣，采樣后的電壓通過(guò)Q5對(duì)Q1和Q2的基極產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的負(fù)反饋，從而把gate電壓限制在一個(gè)有限的數(shù)值。這個(gè)數(shù)值可以通過(guò)R5和R6來(lái)調(diào)節(jié)。

11、最后，R1提供了對(duì)Q3和Q4的基極電流限制，R4提供了對(duì)MOS管的gate電流限制，也就是Q3和Q4的Ice的限制。必要的時(shí)候可以在R4上面并聯(lián)加速電容。 這個(gè)電路提供了如下的特性： 1，用低端電壓和PWM驅(qū)動(dòng)高端MOS管。 2，用小幅度的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(guò)使用合適的電阻，可以達(dá)到很低的功耗。 6，PWM信號(hào)反相。NMOS并不需要這個(gè)特性，可以通過(guò)前置一個(gè)反相器來(lái)解決。 在設(shè)計(jì)便攜式設(shè)備和無(wú)線產(chǎn)品時(shí)，提高產(chǎn)品性能、延長(zhǎng)電池工作時(shí)間是設(shè)計(jì)人員需要面對(duì)的兩個(gè)問(wèn)題。DC-DC轉(zhuǎn)換器具有效率高、輸出電流大、靜態(tài)電

12、流小等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于為便攜式設(shè)備供電。目前DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展主要趨勢(shì)有：（1）高頻化技術(shù)：隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，開(kāi)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(dòng)態(tài)響應(yīng)得到改善。小功率DC-DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率將上升到兆赫級(jí)。（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(lái)越低，這就要求未來(lái)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(duì)電源芯片電路的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。首先，隨著開(kāi)關(guān)頻率的不斷提高，對(duì)于開(kāi)關(guān)元件的性能提出了很高的要求，同時(shí)必須具有相應(yīng)的開(kāi)關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路以保證開(kāi)關(guān)元件在高達(dá)兆赫

13、級(jí)的開(kāi)關(guān)頻率下正常工作。其次，對(duì)于電池供電的便攜式電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，電路的工作電壓低（以鋰電池為例，工作電壓 2.53.6V），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DCDC芯片中多采用MOS管作為功率開(kāi)關(guān)。但是由于MOS管的寄生電容大，一般情況下 NMOS開(kāi)關(guān)管的柵極電容高達(dá)幾十皮法。這對(duì)于設(shè)計(jì)高工作頻率DCDC轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。 在低電壓ULSI設(shè)計(jì)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(dòng)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12pF的條件下工作頻

14、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(jì)了一種具有大負(fù)載電容驅(qū)動(dòng)能力的，適合于低電壓、高開(kāi)關(guān)頻率升壓型DCDC轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路。電路基于Samsung AHP615 BiCMOS工藝設(shè)計(jì)并經(jīng)過(guò)Hspice仿真驗(yàn)證，在供電電壓1.5V ，負(fù)載電容為60pF時(shí)，工作頻率能夠達(dá)到5MHz以上。補(bǔ)充：MOS管的開(kāi)關(guān)特性0推薦一、靜態(tài)特性 MOS管作為開(kāi)關(guān)元件，同樣是工作在截止或?qū)▋煞N狀態(tài)。由于MOS管是電壓控制元件，所以主要由柵源電壓uGS決定其工作狀態(tài)。 圖為由NMOS增強(qiáng)型管構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電路。NMOS管構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電路及其等效電路工作特性如下： uGS開(kāi)啟電壓UT：MOS管工

15、作在截止區(qū)，漏源電流iDS基本為0，輸出電壓uDSUDD，MOS管處于斷開(kāi)狀態(tài)，其等效電路如圖3.8(b)所示。 uGS開(kāi)啟電壓UT：MOS管工作在導(dǎo)通區(qū)，漏源電流iDS=UDD/(RD+rDS)。其中，rDS為MOS管導(dǎo)通時(shí)的漏源電阻。輸出電壓UDS=UDDrDS/(RD+rDS),如果rDSRD，則uDS0V，MOS管處于接通狀態(tài)，其等效電路如圖3.8(c)所示。 二、動(dòng)態(tài)特性 MOS管在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)同樣存在過(guò)渡過(guò)程，但其動(dòng)態(tài)特性主要取決于與電路有關(guān)的雜散電容充、放電所需的時(shí)間，而管子本身導(dǎo)通和截止時(shí)電荷積累和消散的時(shí)間是很小的。圖給出了一個(gè)NMOS管組成的電路及其動(dòng)態(tài)特性示意圖。NMOS管動(dòng)態(tài)特性示意圖 當(dāng)輸入電壓ui由高變低，MOS管由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，電源UDD通過(guò)RD向雜散電容CL充電，充電時(shí)間常數(shù)1=RDCL。所以，輸出電壓uo要通過(guò)一定延時(shí)才由低電平變?yōu)楦唠娖?；?dāng)輸入電壓ui由低變高，MOS管由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，雜散電容CL上的電荷通過(guò)rDS進(jìn)行放電，