開關MOS管的工作原理

一、MOS管種類和結構

MOSFET管是FET的一種(另一種是JFET)，可以被制造成增強型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，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。

至于為什么不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問底。

對于這兩種增強型MOS管，比較常用的是NMOS.原因是導通電阻小，且容易制造。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，而是由于制造工藝限制產生的。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，后邊再詳細介紹。開關MOS管工作原理

在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管，在驅動感性負載(如馬達)，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，在集成電路芯片內部通常是沒有的。

（1）靜態(tài)特性

MOS管作為開關元件，同樣是工作在截止或導通兩種狀態(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)。

工作特性如下：

uGS<開啟電壓UT:MOS管工作在截止區(qū)，漏源電流iDS基本為0,輸出電壓uDS≈UDD,MOS管處于“斷開”狀態(tài)，其等效電路如下圖所示。

uGS>開啟電壓UT:MOS管工作在導通區(qū)，漏源電流iDS=UDD/(RD+rDS)。其中，rDS為MOS管導通時的漏源電阻。輸出電壓UDS=UDD·rDS/(RD+rDS)，如果rDS《RD,則uDS≈0V,MOS管處于“接通”狀態(tài)，其等效電路如上圖(c)所示。

（2）動態(tài)特性

MOS管在導通與截止兩種狀態(tài)發(fā)生轉換時同樣存在過渡過程，但其動態(tài)特性主要取決于與電路有關的雜散電容充、放電所需的時間，而管子本身導通和截止時電荷積累和消散的時間是很小的。下圖 (a)和(b)分別給出了一個NMOS管組成的電路及其動態(tài)特性示意圖。

MOS管動態(tài)特性示意圖

當輸入電壓ui由高變低，MOS管由導通狀態(tài)轉換為截止狀態(tài)時，電源UDD通過RD向雜散電容CL充電，充電時間常數τ1=RDCL.所以，輸出電壓uo要通過一定延時才由低電平變?yōu)楦唠娖?當輸入電壓ui由低變高，MOS管由截止狀態(tài)轉換為導通狀態(tài)時，雜散電容CL上的電荷通過rDS進行放電，其放電時間常數τ2≈rDSCL.可見，輸出電壓Uo也要經過一定延時才能轉變成低電平。但因為rDS比RD小得多，所以，由截止到導通的轉換時間比由導通到截止的轉換時間要短。

由于MOS管導通時的漏源電阻rDS比晶體三極管的飽和電阻rCES要大得多，漏極外接電阻RD也比晶體管集電極電阻RC大，所以，MOS管的充、放電時間較長，使MOS管的開關速度比晶體三極管的開關速度低。不過，在CMOS電路中，由于充電電路和放電電路都是低阻電路，因此，其充、放電過程都比較快，從而使CMOS電路有較高的開關速度。

二、MOS管導通特性

導通的意思是作為開關MOS管，相當于開關閉合。

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會導通，適合用于源極接地時的情況(低端驅動)，只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會導通，適合用于源極接VCC時的情況(高端驅動)。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動，但由于導通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅動中，通常還是使用NMOS.

三、MOS開關管損失

不管是NMOS還是PMOS,導通后都有導通電阻存在，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(xiàn)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。開關MOS管。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，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。

四、MOS管驅動

跟雙極性晶體管相比，一般認為使MOS管導通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，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。對電容的充電需要一個電流，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。開關MOS管。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，普遍用于高端驅動的NMOS，導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅動的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。如果在同一個系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達驅動器都集成了電荷泵，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余量。而且電壓越高，導通速度越快，導通電阻也越小。現(xiàn)在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領域里，但在12V汽車電子系統(tǒng)里，一般4V導通就夠用了。