解析如何让MOS管工作在开关电路等

在使用MOS管设计开关电源以及电机驱动电路的之后，大部分人就会考虑MOS的导通电阻，最大电压等，最大电流等，也有很仅仅考虑这种原因。这样的电路虽然是可以工作的，但并不是优秀的，作为即将的产品设计也有不允许的。

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，但实际应用的唯有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以一般提及NMOS，或者PMOS指的就是这两种。

对于这两种增强型MOS管，比较常见的是NMOS。原因是导通电阻小，且易于制造。所以插头电源和电机驱动的应用中，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，这不是我们必须的，而是由于生产工艺限制造成的。寄生电容的存在并且在设计或选取驱动电路的之后应帮忙一些，但没有办法防止，后边再具体介绍。

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(如电机)，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一般是没有的。

MOS管的开关特性

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况。由于MOS管是电压控制器件，所以主要由栅源电压uGS决定其工作状况。

工作特性如下：

※uGS<开启电压UT:MOS管工作在截至区，漏源电流iDS基本为0,输出电压uDS≈UDD,MOS管处于“断开”状态，其等效电路如下图图示。

※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。输出功率UDS=UDD·rDS/(RD+rDS)，如果rDS《RD,则uDS≈0V,MOS管处于“接通”状态，其等效电路如上图(c)所示。

动态特性

MOS管在导通与截止两种状况出现转化时相同存在过渡过程，但其动态特征主要取决于与电路有关的杂散电感充、放电所需的时间，而管子本身导通和截止时电荷累积和消失的时间是最小的。

当输入电压ui由高变低，MOS管由导通状态转化为截止状态时，电源UDD通过RD向杂散电容CL充电，充电时间常数τ1=RDCL.所以，输出功率uo要借助一定延时才由低电平变为高电平;当输入电流ui由低变高，MOS管由截止状态转化为导通状态时，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也应经过必定延时才能转变成低电平。但由于rDS比RD小得多，所以，由截止至导通的转换时间比由导通到截至的转化时间应短。

由于MOS管导通时的漏源电阻rDS比晶体三极管的饱和电压rCES要大得多，漏极外接电容RD也比晶体管集电极电流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，由于充电电路跟放电电路都是低阻电路，因此，其充、放电过程都非常快，从而让CMOS电路有较高的开关速度。

2、MOS管导通特性

导通的意思是成为开关，相当于开关闭合。

NMOS的特点，Vgs大于一定的值经常导通，适合用于源极接地时的情况(低端驱动)，只要栅极电阻达到4V或10V就可以了。

PMOS的特点，Vgs小于一定的值经常导通，适合用于源极接VCC时的状况(高端驱动)。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但因为导通电阻大，价格贵，替换类型少等因素，在顶级驱动中，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，这样电流都会在这个电压上消耗能量，这部分耗费的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会增加导通损耗。现在的小容量MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的还有。

MOS在导通和截止的之后，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管的损失是电阻跟电压的差值，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。

导通瞬间功率和电压的差值巨大，造成的代价也就很高。缩短开关时间，可以减少经常导通时的损失;降低开关频率，可以减少单位时间内的开关次数。这两种方法都可以减少开关损失。

4、MOS管驱动

跟双极性晶体管相比，一般觉得让MOS管导通不需要电流，只要GS电压低于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还必须速度。

在MOS管的结构中可以见到，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。对电阻的充电需要一个电流，因为对电阻充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会非常大。选择/设计MOS管驱动时第一要留意的是能提供瞬间短路电流的大小。

第二注意的是，普遍用于低端驱动的NMOS，导通时需要是基频电压小于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电流与漏极电压(VCC)相同，所以此时栅极电阻要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里，要受到比VCC大的功率，就要专门的升压电路了。很多电机驱动器都集成了电荷泵，要切记的是必须选用适合的外接电容，以受到足够的短路电流去驱动MOS管。

上边说的4V或10V是常见的MOS管的导通电压，设计时其实应该有一定的余量。而且转速越高，导通速度越快，导通电阻也越小。现在还有导通电压更小的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。

5、MOS管应用电路

MOS管最明显的特点是开关特性好，所以被广泛应用在必须电子开关的电路中，常见的如开关电源和电机驱动mos管开关电压，也有照明调光。

6、开关MOS管发热的通常原因

做电源设计，或者做驱动方面的电路，难免要用到场效应管，也就是人们常说的MOS管。MOS管有很多种类，也有众多作用。做电源以及驱动的使用，当然就是用它的开关作用。

无论N型或者P型MOS管，其工作原理本质是一样的。MOS管是由加在输入端栅极的电流来控制输出端漏极的电压。MOS管是压控元件它借助加在基极上的电流控制元件的特征，不会发生像三极管做开关时的因基极电流引起的电势存储效应，因此在开关应用中mos管开关电压，MOS管的开关速度必须比三极管快。其主要机理如图：图1。

我们在开关电源中常用MOS管的漏极开路电路，如图2漏极原封不动地接负载，叫开路漏极，开路漏极电路中不管负载接多高的功率，都能否接通和关断负载电流。是理想的模拟开关器件。这就是MOS管做开关器件的机理。当然MOS管做开关使用的电路形式非常多了。

在开关电源应用方面，这种应用必须MOS管定期导通和关断。比如，DC-DC电源中常见的基本降压转换器依赖两个MOS管来执行开关功能，这些开关交替在电感里储存能量，然后把能量传递给负载。我们常选用数百kHz乃至1MHz以上的频率，因为温度越高，磁性元件可以很小最轻。在正常工作之后，MOS管只相当于一个导体。因此，我们电路以及电池设计员工更关心的是MOS的最小传导损耗。

我们就会看MOS管的PDF参数，MOS管制造商采用RDS（ON）参数来定义导通阻抗，对开关应用来说，RDS（ON）也是很重要的器件特性。数据手册定义RDS（ON）与熔体（或驱动）电压VGS以及流经开关的电流有关，但针对充分的栅极驱动，RDS（ON）是一个相对静态参数。一直进入导通的MOS管很容易发热。另外，慢慢下降的结温也会导致RDS（ON）的降低。MOS管数据手册要求了应力抗参数，其定义为MOS管封装的半导体结散热能力。RθJC的更简单的定义是结到管壳的热阻抗。

①发热情况有，电路设计的难题，就是让MOS管工作性的工作状况，而不是在开关状况。这只是造成MOS管发热的一个原因。如果N-MOS做开关，G级电阻要比电池高几V，才能完全导通，P-MOS则相反。没有完全开启而压降过大造成容量消耗，等效直流阻抗比较大，压降增大，所以U*I也减少，损耗就意味着发热。这是设计电路的更忌讳的出错。

②频率很高，主要是有时过分追求体积，导致温度增加，MOS管上的衰减增大了，所以发热也加大了

③没有做好足够的散热设计，电流太高，MOS管标称的电流值，一般必须良好的散热才能超过。所以ID小于最大电流，也或许发热严重，需要足够的辅助散热片。

④MOS管的选型有误，对电流判断有误，MOS管内阻没有充分考虑，导致开关阻抗减小.

其实这种弊端也是老生常谈的难题，做开关电源以及MOS管开关驱动这种知识必须是烂熟于心，当然有时还有其它方面的诱因，主要就是以上几种原因。

：邹先生

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