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mos管的作用及原理通俗解释【一看就懂】

发布时间:2020-01-18 12:09人气:

MOS管的英文全称叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),即金属氧化物半导体型场效应管,属于场效应晶体管中的绝缘栅型。因此,MOS管有时被称为场效应管。在一般电子电路中,MOS管通常被用于放大电路或开关电路。


简单点说:P点相当于很高的水位,N点相当于很低的水位,P点的水一直想往N点流动,但有一个开关控制着,L点相当于控制开关。L点有电压(并且达到理想值)就可以控制开关,画个图给你看一下:


mos管的作用及原理通俗解释配图第1张


mos管的作用及原理通俗解释配图第2张


mos管的作用及原理通俗解释配图第3张


下图为mos管的作用及原理通俗解释配(图4)

mos管的作用及原理通俗解释配图4


一、 

一句话MOS管工作原理

NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到一定电压(如4V或10V, 其他电压,看手册)就可以了。


PMOS的特性,Vgs小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是,虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS。


二、

在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候,大部分人都会考虑MOS的导通电阻,最大电压等,最大电流等,也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的,但并不是优秀的,作为正式的产品设计也是不允许的。


1、MOS管种类和结构


MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET),可以被制造成增强型或耗尽型,P沟道或N沟道共4种类型,但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是这两种。


至于为什么不使用耗尽型的MOS管,不建议刨根问底。

   

对于这两种增强型MOS管,比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小,且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中,一般都用NMOS。下面的介绍中,也多以NMOS为主。


MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在,这不是我们需要的,而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些,但没有办法避免,后边再详细介绍。


在MOS管原理图上可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管,在驱动感性负载(如马达、继电器),这个二极管很重要,用于保护回路。顺便说一句,体二极管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的。


2,MOS开关管损失

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。


3,MOS管驱动

跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了。这个很容易做到,但是,我们还需要速度。


在MOS管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。


第二注意的是,普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管。


上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压,设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高,导通速度越快,导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里,但在12V汽车电子系统里,一般4V导通就够用了。


MOS管的驱动电路及其损失,可以参考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。讲述得很详细,所以不打算多写了。


5,MOS管应用电路

MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用在需要电子开关的电路中,常见的如开关电源和马达驱动,也有照明调光。


参数含义:

 Rds(on):DS的导通电阻.当Vgs=10V时,MOS的DS之间的电阻

Id: 最大DS电流.会随温度的升高而降低

Vgs: 最大GS电压.一般为:-20V~+20V

Idm: 最大脉冲DS电流.会随温度的升高而降低,体现一个抗冲击能力,跟脉冲时间也有关系

Pd: 最大耗散功率

Tj: 最大工作结温,通常为150度和175度

Tstg: 最大存储温度

Iar: 雪崩电流

Ear: 重复雪崩击穿能量

Eas: 单次脉冲雪崩击穿能量

BVdss:DS击穿电压

Idss: 饱和DS电流,uA级的电流

Igss: GS驱动电流,nA级的电流.

gfs: 跨导

Qg:  G总充电电量

Qgs: GS充电电量 

Qgd: GD充电电量

Td(on): 导通延迟时间,从有输入电压上升到10%开始到Vds下降到其幅值90%的时间

Tr:  上升时间,输出电压 VDS 从 90% 下降到其幅值 10% 的时间

Td(off): 关断延迟时间,输入电压下降到 90% 开始到 VDS 上升到其关断电压时 10% 的时间

Tf:  下降时间,输出电压 VDS 从 10% 上升到其幅值 90% 的时间 ( 参考图 4) 。 

Ciss: 输入电容,Ciss=Cgd + Cgs.

Coss: 输出电容,Coss=Cds +Cgd. 

Crss: 反向传输电容,Crss=Cgc.


总结:

N沟道的电源一般接在D,输出S,P沟道的电源一般接在S,输出D。

增强耗尽接法基本一样。

P是指P沟道,N是指N沟道。

G:gate 栅极

S:source 源极

D:drain 漏极


以RJK0822SPN的POWER MOS为例:

Drain to source voltage:VDSS漏源极电压80V

Gate to source voltage:VGSS ±20   门源电压这三种应用在各个领域都有详细的介绍,这里暂时不多写了。以后有时间再总结。


下面这些资料是小编在百度知道找的一些资料:

P沟道

P沟道的管子使用的时候你只需要记住几件事情:当栅极(G)的电压比漏极的电压(D)小5V以上(有的管子可以更低),管子就开始导通,压差越大,G和S(源极)之间的电阻就越小,损耗也就越小,但是不能太大。还有一件事情就是G和S之间的最大耐压,元器件手册上有说明。最后就是G和S之间容许通过的最大电流,这个元器件手册上写的也很清楚。说的够明白了。


N沟道

结构上,N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似,其区别仅在于栅-源极间电压vGS=0时,耗尽型MOS管中的漏-源极间已有导电沟道产生,而增强型MOS管要在vGS≥VT时才出现导电沟道。


原因是制造N沟道耗尽型MOS管时,在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子),如图4(a)所示,因此即使vGS=0时,在这些正离子产生的电场作用下,漏-源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道),只要加上正向电压vDS,就有电流iD。如果加上正的vGS,栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子,沟道加宽,沟道电阻变小,iD增大。反之vGS为负时,沟道中感应的电子减少,沟道变窄,沟道电阻变大,iD减小。当vGS负向增加到某一数值时,导电沟道消失,iD趋于零,管子截止,故称为耗尽型。沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压,仍用VP表示。与N沟道结型场效应管相同,N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值,但是,前者只能在vGS<0的情况下工作。而后者在vGS=0,vGS>0,VP<vGS<0的情况下均能实现对iD的控制,而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻,使栅极电流为零。这是耗尽型MOS管的一个重要特点。


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