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1、MOS 管开关电路设计知识在使用 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。下面是我对 MOSFET 及 MOSFET 驱动电路基础的一点总结，其中参考了一些资料，非全部原创。包括 MOS 管的介绍，特性，驱动以及应用电路。1 1，MOSMOS 管种类和结构管种类和结构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 M
2、OS 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
3、），这个二极管很重要。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 2，MOSMOS 管导通特性管导通特性导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。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 4V 或 10V 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。3 3，MOSMOS 开关管损失开关管损失不管是 NMOS 还
4、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
5、减小开关损失。4 4，MOSMOS 管驱动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
6、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 MOSF
7、ETs。讲述得很详细，所以不打算多写了。5 5，MOSMOS 管应用电路管应用电路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。MOS 管的开关特性一、静态特性一、静态特性MOS 管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。由于MOS 管是电压控制元件，所以主要由栅源电压 uGS决定其工作状态。图 3.8(a)为由 NMOS 增强型管构成的开关电路。 图图 3.83.8 NMOS 管构成的开关电路及其等效电路管构成的开关电路及其等效电路工作特性如下工作特性如下： u uGSGS开启电压开启电压 U UT T：MOS 管工
8、作在截止区，漏源电流 iDS基本为0，输出电压 uDSUDD，MOS 管处于“断开“状态，其等效电路如图3.8(b)所示。 u uGSGS开启电压开启电压 U UT T：MOS 管工作在导通区，漏源电流iDS=UDD/(RD+rDS)。其中，rDS为 MOS 管导通时的漏源电阻。输出电压UDS=UDDrDS/(RD+rDS),如果 rDSRD，则 uDS0V，MOS 管处于“接通“状态，其等效电路如图 3.8(c)所示。二、动态特性二、动态特性MOS 管在导通与截止两种状态发生转换时同样存在过渡过程，但其其动态特性主要取决于与电路有关的杂散电容充、放电所需的时间动态特性主要取决于与电路有关的杂
9、散电容充、放电所需的时间，而管子本身导通和截止时电荷积累和消散的时间是很小的。图3.9(a)和(b)分别给出了一个 NMOS 管组成的电路及其动态特性示意图。图图 3.93.9 NMOS 管动态特性示意图管动态特性示意图当输入电压 ui由高变低，MOS 管由导通状态转换为截止状态时，电源 UDD通过 RD向杂散电容 CL充电，充电时间常数 1=RDCL。所以，输出电压 uo要通过一定延时才由低电平变为高电平；当输入电压 ui由低变高，MOS 管由截止状态转换为导通状态时，杂散电容 CL上的电荷通过 rDS进行放电，其放电时间常数 2rDSCL。可见，输出电压 Uo也要经过一定延时才能转变成低电
10、平。但因为因为 r rDSDS比比 R RD D小得多，小得多，所以，由截止到导通的转换时间比由导通到截止的转换时间要短所以，由截止到导通的转换时间比由导通到截止的转换时间要短。由于由于 MOSMOS 管导通时的漏源电阻管导通时的漏源电阻 r rDSDS比晶体三极管的饱和电阻比晶体三极管的饱和电阻 r rCESCES要大得多，漏极外接电阻要大得多，漏极外接电阻 R RD D也比晶体管集电极电阻也比晶体管集电极电阻 R RC C大，所以，大，所以，MOSMOS 管的充、放电时间较长，使管的充、放电时间较长，使 MOSMOS 管的开关速度比晶体三极管的管的开关速度比晶体三极管的开关速度低。不过，在开关速度低。不过，在 CMOSCMOS 电路中，由于充电电路和放电电路都是电路中，由于充电电路和放电电路都是低阻电路，因此，其充、放电过程都比较快，从而使低阻电路，因此，其充、放电过程都比较快，从而使 CMOSCMOS 电路有较电路有较高的开关速度。高的开关速度。
