學過模擬電路,但都忘得差不多了。重新學習mos管相關知識,大多數是整理得來並非原創。如有錯誤還請多多指點!
先上一張圖
一、 一句話mos管工作原理
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(高階驅動)。但是,雖然pmos可以很方便地用作高階驅動,但由於導通電阻大,**貴,替換種類少等原因,在高階驅動中,通常還是使用nmos。二、
在使用mos管設計開關電源或者馬達驅動電路的時候,大部分人都會考慮mos的導通電阻,最大電壓等,最大電流等,也有很多人僅僅考慮這些因素。這樣的電路也許是可以工作的,但並不是優秀的,作為正式的產品設計也是不允許的。
1,mos管種類和結構
mosfet管是fet的一種(另一種是jfet),可以被製造成增強型或耗盡型,p溝道或n溝道共4種型別,但實際應用的只有增強型的n溝道mos管和增強型的p溝道mos管,所以通常提到nmos,或者pmos指的就是這兩種。
至於為什麼不使用耗盡型的mos管,不建議刨根問底。
對於這兩種增強型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。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,後邊再詳細介紹。
在mos管原理圖上可以看到,漏極和源極之間有乙個寄生二極體。這個叫體二極體,在驅動感性負載(如馬達、繼電器),這個二極體很重要,用於保護迴路。順便說一句,體二極體
只在單個的mos管中存在,在積體電路晶元內部通常是沒有的。
2,mos開關管損失
不管是nmos還是pmos,導通後都有導通電阻存在,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十毫歐左右,幾毫歐的也有。
mos在導通和截止的時候,一定不是在瞬間完成的。mos兩端的電壓有乙個下降的過程,流過的電流有乙個上公升的過程,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,損失也越大。
導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。
3,mos管驅動
跟雙極性電晶體相比,一般認為使mos管導通不需要電流,只要gs電壓高於一定的值,就可以了。這個很容易做到,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。對電容的充電需要乙個電流,因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路,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。
第二注意的是,普遍用於高階驅動的nmos,導通時需要是柵極電壓大於源極電壓。而高階驅動的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。如果在同乙個系統裡,要得到比vcc大的電壓,就要專門的公升壓電路了。很多馬達驅動器都整合了電荷幫浦,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。
上邊說的4v或10v是常用的mos管的導通電壓,設計時當然需要有一定的餘量。而且電壓越高,導通速度越快,導通電阻也越小。現在也有導通電壓更小的mos管用在不同的領域裡,但在12v汽車電子系統裡,一般4v導通就夠用了。
mos管的驅動電路及其損失,可以參考microchip公司的an799 matching mosfet drivers to mosfets。講述得很詳細,所以不打算多寫了。
5,mos管應用電路
mos管最顯著的特性是開關特性好,所以被廣泛應用在需要電子開關的電路中,常見的如開關電源和馬達驅動,也有照明調光。
引數含義:
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.會隨溫度的公升高而降低
vgs: 最大gs電壓.一般為:-20v~+20v
idm: 最大脈衝ds電流.會隨溫度的公升高而降低,體現乙個抗衝擊能力,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: 最大儲存溫度
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,從有輸入電壓上公升到10%開始到vds下降到其幅值90%的時間
tr: 上公升時間,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 上公升到其關斷電壓時 10% 的時間
tf: 下降時間,輸出電壓 vds 從 10% 上公升到其幅值 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.
總結:n溝道的電源一般接在d,輸出s,p溝道的電源一般接在s,輸出d。
增強耗盡接法基本一樣。
p是指p溝道,n是指n溝道。
g:gate 柵極
s:source 源極
d:drain 漏極
以rjk0822spn的power mos為例:
drain to source voltage:vdss漏源極電壓80v
gate to source voltage:vgss ±20 門源電壓這三種應用在各個領域都有詳細的介紹,這裡暫時不多寫了。以後有時間再總結。
p溝道
p溝道的管子使用的時候你只需要記住幾件事情:當柵極(g)的電壓比漏極的電壓(d)小5v以上(有的管子可以更低),管子就開始導通,壓差越大,g和s(源極)之間的電阻就越小,損耗也就越小,但是不能太大。還有一件事情就是g和s之間的最大耐壓,元器件手冊上有說明。最後就是g和s之間容許通過的最大電流,這個元器件手冊上寫的也很清楚。說的夠明白了。
n溝道結構上,n溝道耗盡型mos管與n溝道增強型mos管基本相似,其區別僅在於柵-源極間電壓vgs=0時,耗盡型mos管中的漏-源極間已有導電溝道產生,而增強型mos管要在vgs≥vt時才出現導電溝道。
原因是製造n溝道耗盡型mos管時,在sio2絕緣層中摻入了大量的鹼金屬正離子na+或k+(製造p溝道耗盡型mos管時摻入負離子),如圖1(a)所示,因此即使vgs=0時,在這些正離子產生的電場作用下,漏-源極間的p型襯底表面也能感應生成n溝道(稱為初始溝道),只要加上正向電壓vds,就有電流id。如果加上正的vgs,柵極與n溝道間的電場將在溝道中吸引來更多的電子,溝道加寬,溝道電阻變小,id增大。反之vgs為負時,溝道中感應的電子減少,溝道變窄,溝道電阻變大,id減小。當vgs負向增加到某一數值時,導電溝道消失,id趨於零,管子截止,故稱為耗盡型。溝道消失時的柵-源電壓稱為夾斷電壓,仍用vp表示。與n溝道結型場效電晶體相同,n溝道耗盡型mos管的夾斷電壓vp也為負值,但是,前者只能在vgs<0的情況下工作。而後者在vgs=0,vgs>0,vp
MOS管的正確用法
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