MOSFET管开关电路设计.docx

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MOSFET管开关电路设计

MOSFET管开关电路设计

　　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，MOS管种类和结构

　　MOSFET管是FET的一种，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，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，MOS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，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。

但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但于导通电阻大，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，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。

　　4，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AN799MatchingMOSFETDriverstoMOSFETs。

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。

　　MOS管的开关特性

　　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。

于MOS管是电压控制元件，所以主要栅源电压uGS决定其工作状态。

图（a）为NMOS增强型管构成的开关电路。

　　图NMOS管构成的开关电路及其等效电路

　　工作特性如下：

　　※uGS＜开启电压UT：

MOS管工作在截止区，漏源电流iDS基本为0，输出电压uDS≈UDD，MOS管处于\断开\状态，其等效电路如图（b）所示。

　　※uGS＞开启电压UT：

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=UDD·rDS/（RD+rDS）,如果rDS＜＜RD，则uDS≈0V，MOS管处于\接通\状态，其等效电路如图（c）所示。

　　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，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（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NMOS管动态特性示意图

　　当输入电压ui高变低，MOS管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τ1=RDCL。

所以，输出电压uo要通过一定延时才低电平变为高电平；当输入电压ui低变高，MOS管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τ2≈rDSCL。

可见，输出电压Uo也要经过一定延时才能转变成低电平。

但因为rDS比RD小得多，所以，截止到导通的转换时间比导通到截止的转换时间要短。

　　于MOS管导通时的漏源电阻rDS比晶体三极管的饱和电阻rCES要大得多，漏极外接电阻RD也比晶体管集电极电阻RC大，所以，MOS管的充、放电时间较长，使MOS管的开关速度比晶体三极管的开关速度低。

不过，在CMOS电路中，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CMOS电路有较高的开关速度。

　　当输入电压ui高变低，MOS管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τ1=RDCL。

所以，输出电压uo要通过一定延时才低电平变为高电平；当输入电压ui低变高，MOS管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τ2≈rDSCL。

可见，输出电压Uo也要经过一定延时才能转变成低电平。

但因为rDS比RD小得多，所以，截止到导通的转换时间比导通到截止的转换时间要短。

　　于MOS管导通时的漏源电阻rDS比晶体三极管的饱和电阻rCES要大得多，漏极外接电阻RD也比晶体管集电极电阻RC大，所以，MOS管的充、放电时间较长，使MOS管的开关速度比晶体三极管的开关速度低。

不过，在CMOS电路中，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CMOS电路有较高的开关速度。

　　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，MOS管种类和结构

　　MOSFET管是FET的一种，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，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，MOS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，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。

但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但于导通电阻大，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，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。

　　4，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AN799MatchingMOSFETDriverstoMOSFETs。

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。

　　MOS管的开关特性

　　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。

于MOS管是电压控制元件，所以主要栅源电压uGS决定其工作状态。

图（a）为NMOS增强型管构成的开关电路。

　　图NMOS管构成的开关电路及其等效电路

　　工作特性如下：

　　※uGS＜开启电压UT：

MOS管工作在截止区，漏源电流iDS基本为0，输出电压uDS≈UDD，MOS管处于\断开\状态，其等效电路如图（b）所示。

　　※uGS＞开启电压UT：

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=UDD·rDS/（RD+rDS）,如果rDS＜＜RD，则uDS≈0V，MOS管处于\接通\状态，其等效电路如图（c）所示。

　　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，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（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NMOS管动态特性示意图

　　当输入电压ui高变低，MOS管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τ1=RDCL。

所以，输出电压uo要通过一定延时才低电平变为高电平；当输入电压ui低变高，MOS管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τ2≈rDSCL。

可见，输出电压Uo也要经过一定延时才能转变成低电平。

但因为rDS比RD小得多，所以，截止到导通的转换时间比导通到截止的转换时间要短。

　　于MOS管导通时的漏源电阻rDS比晶体三极管的饱和电阻rCES要大得多，漏极外接电阻RD也比晶体管集电极电阻RC大，所以，MOS管的充、放电时间较长，使MOS管的开关速度比晶体三极管的开关速度低。

不过，在CMOS电路中，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CMOS电路有较高的开关速度。