硬件设计 | MOS管篇

一般情况下，普遍用于高端驱动的MOS，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。

(资料图片)

MOS管是电压驱动，按理说只要栅极电压到到开启电压就能导通DS，栅极串多大电阻均能导通，但如果要求开关频率较高时，栅对地或VCC可以看做是一个电容。

对于一个电容来说，串的电阻越大，栅极达到导通电压时间越长，MOS处于半导通状态时间也越长，在半导通状态内阻较大，发热也会增大，极易损坏MOS，所以高频时栅极串的电阻不但要小，一般是需要加前置驱动电路的。

1MOS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，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。

一般在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)，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。

2MOS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。

3MOS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。

4MOS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。

而在进行MOSFET的选择时，因为MOSFET有两大类型：N沟道和P沟道。

在功率系统中，MOSFET可被看成电气开关，当在N沟道MOSFET的栅极和源极间加上正电压时，其开关导通，导通时，电流可经开关从漏极流向源极。

漏极和源极之间存在一个内阻，称为导通电阻RDS(ON)，必须清楚MOSFET的栅极是个高阻抗端，因此，总是要在栅极加上一个电压。

这就是后面介绍电路图中栅极所接电阻至地，如果栅极为悬空，器件将不能按设计意图工作，并可能在不恰当的时刻导通或关闭，导致系统产生潜在的功率损耗。

当源极和栅极间的电压为零时开关关闭，而电流停止通过器件，虽然这时器件已经关闭，但仍然有微小电流存在，这称之为漏电流，即IDSS.

01选用N沟道还是P沟道

为设计选择正确器件的第一步是决定采用N沟道还是P沟道MOSFET，在典型的功率应用中，当一个MOSFET接地，而负载连接到干线电压上时，该MOSFET就构成了低压侧开关。

在低压侧开关中，应采用N沟道MOS，这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑，当MOSFET连接到总线及负载接地时，就要用高压侧开关，通常会在这个拓扑中采用P沟道MOSFET，这也是出于对电压驱动的考虑。

02确定额定电流

第二步是选择MOSFET的额定电流，视电路结构而定，该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。

与电压的情况相似，设计人员必须确保所选的MOSFET能承受这个额定电流，即使在系统产生尖峰电流时，两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰，该参数以FDN304P管DATASHEET为参考，参数如图所示：

在连续导通模式下，MOSFET处于稳态，此时电流连续通过器件，脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件，一旦确定了这些条件下的最大电流，只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。

选好额定电流后，还必须计算导通损耗，在实际情况下MOSFET并不是理想的器件，因为在导电过程中会有电能损耗，这称之为导通损耗。

MOSFET在导通时就像一个可变电阻，由器件的RDS(ON)所确定，并随温度而显着变化。

器件的功率耗损可由：Iload2×RDS(ON)计算，由于导通电阻随温度变化，因此功率耗损也会随之按比例变化。

对MOSFET施加的电压VGS越高，RDS(ON)就会越小；反之RDS(ON)就会越高。对系统设计人员来说，这就是取决于系统电压而需要折中权衡的地方。

对便携式设计来说，采用较低的电压比较容易(较为普遍)，而对于工业设计，可采用较高的电压。

注意RDS(ON)电阻会随着电流轻微上升，关于RDS(ON)电阻的各种电气参数变化可在制造商提供的技术资料表中查到。

03确定热要求

选择MOSFET的下一步是计算系统的散热要求，设计人员必须考虑两种不同的情况，即最坏情况和真实情况。

建议采用针对最坏情况的计算结果，因为这个结果提供更大的安全余量，能确保系统不会失效。

在MOSFET的资料表上还有一些需要注意的测量数据;比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻，以及最大的结温。

器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积：

结温=最大环境温度+[热阻×功率耗散]

根据这个方程，可解出系统的最大功率耗散，即按定义相等于I2×RDS(ON)。

由于设计人员已确定将要通过器件的最大电流，因此可以计算出不同温度下的RDS(ON)。

值得注意的是，在处理简单热模型时，设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/环境的热容量；即要求印刷电路板和封装不会立即升温。

通常，一个PMOS管，会有寄生的二极管存在，该二极管的作用是防止源漏端反接，对于PMOS而言，比起NMOS的优势在于它的开启电压可以为0。

而DS电压之间电压相差不大，而NMOS的导通条件要求VGS要大于阈值，这将导致控制电压必然大于所需的电压，会出现不必要的麻烦。

选用PMOS作为控制开关，有下面两种应用：

第一种应用是由PMOS来进行电压选择，当V8V存在时，此时电压全部由V8V提供，将PMOS关闭，VBAT不提供电压给VSIN,而当V8V为低时，VSIN由8V供电。

注意R120的接地，该电阻能将栅极电压稳定地拉低，确保PMOS能够正常开启，这也是前文所描述的栅极高阻抗所带来的状态隐患。

D9和D10的作用在于防止电压的倒灌，D9可以省略，这里要注意到实际上该电路的DS接反，这样由附生二极管导通导致了开关管的功能不能达到，实际应用要注意。

来看这个电路，控制信号PGC控制V4.2是否给P_GPRS供电。

此电路中，源漏两端没有接反，R110与R113存在的意义在于R110控制栅极电流不至于过大，R113控制栅极的常态，将R113上拉为高，截至PMOS，同时也可以看作是对控制信号的上拉。

当MCU内部管脚并没有上拉时，即输出为开漏时，并不能驱动PMOS关闭，此时，就需要外部电压给予的上拉，所以电阻R113起到了两个作用，R110可以更小，到100欧姆也可。

5MOS管的开关特性

01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。

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，其等效电路如下图所示。

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，其等效电路如上图(c)所示。

02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。

下图 (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。

NMOS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τ1=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，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，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CMOS电路有较高的开关速度。

审核编辑：汤梓红