九大簡(jiǎn)易mos管開關(guān)電路圖解析及MOS管開關(guān)特性概述-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-09-24
MOS管開關(guān)電路是利用一種電路，是利用MOS管柵極（g）控制MOS管源極（s）和漏極（d）通斷的原理構(gòu)造的電路。MOS管分為N溝道與P溝道，所以開關(guān)電路也主要分為兩種。
1、P溝道MOS管開關(guān)電路
PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。需要注意的是，Vgs指的是柵極G與源極S的電壓，即柵極低于電源一定電壓就導(dǎo)通，而非相對(duì)于地的電壓。但是因?yàn)镻MOS導(dǎo)通內(nèi)阻比較大，所以只適用低功率的情況。大功率仍然使用N溝道MOS管。
2、N溝道m(xù)os管開關(guān)電路
NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)），只要柵極電壓大于參數(shù)手冊(cè)中給定的Vgs就可以了，漏極D接電源，源極S接地。需要注意的是Vgs指的是柵極G與源極S的壓差，所以當(dāng)NMOS作為高端驅(qū)動(dòng)時(shí)候，當(dāng)漏極D與源極S導(dǎo)通時(shí)，漏極D與源極S電勢(shì)相等，那么柵極G必須高于源極S與漏極D電壓，漏極D與源極S才能繼續(xù)導(dǎo)通。
MOS開關(guān)管損失
不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗。現(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。
MOS在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過程，流過的電流有一個(gè)上升的過程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關(guān)損失。通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開關(guān)頻率越快，損失也越大。
導(dǎo)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(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失;降低開關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。
MOS管的開關(guān)特性
靜態(tài)特性
MOS管作為開關(guān)元件，同樣是工作在截止或?qū)▋煞N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(dǎo)通區(qū)，漏源電流iDS=UDD/（RD+rDS）。其中，rDS為MOS管導(dǎo)通時(shí)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。
動(dòng)態(tài)特性
MOS管在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)同樣存在過渡過程，但其動(dòng)態(tài)特性主要取決于與電路有關(guān)的雜散電容充、放電所需的時(shí)間，而管子本身導(dǎo)通和截止時(shí)電荷積累和消散的時(shí)間是很小的。下圖 （a）和（b）分別給出了一個(gè)NMOS管組成的電路及其動(dòng)態(tài)特性示意圖。
（NMOS管動(dòng)態(tài)特性示意圖）
當(dāng)輸入電壓ui由高變低，MOS管由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，電源UDD通過RD向雜散電容CL充電，充電時(shí)間常數(shù)τ1=RDCL.所以，輸出電壓uo要通過一定延時(shí)才由低電平變?yōu)楦唠娖?當(dāng)輸入電壓ui由低變高，MOS管由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，雜散電容CL上的電荷通過rDS進(jìn)行放電，其放電時(shí)間常數(shù)τ2≈rDSCL.可見，輸出電壓Uo也要經(jīng)過一定延時(shí)才能轉(zhuǎn)變成低電平。但因?yàn)閞DS比RD小得多，所以，由截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換時(shí)間比由導(dǎo)通到截止的轉(zhuǎn)換時(shí)間要短。
由于MOS管導(dǎo)通時(shí)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(shí)間較長(zhǎng)，使MOS管的開關(guān)速度比晶體三極管的開關(guān)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(guān)速度。
圖中電池的正電通過開關(guān)S1接到場(chǎng)效應(yīng)管Q1的2腳源極，由于Q1是一個(gè)P溝道管，它的1腳柵極通過R20電阻提供一個(gè)正電位電壓，所以不能通電，電壓不能繼續(xù)通過，3v穩(wěn)壓IC輸入腳得不到電壓所以就不能工作不開機(jī)！
這時(shí)，如果我們按下SW1開機(jī)按鍵時(shí)，正電通過按鍵、R11、R23、D4加到三極管Q2的基極，三極管Q2的基極得到一個(gè)正電位，三極管導(dǎo)通（前面講到三極管的時(shí)候已經(jīng)講過），由于三極管的發(fā)射極直接接地，三極管Q2導(dǎo)通就相當(dāng)于Q1的柵極直接接地，加在它上面的通過R20電阻的電壓就直接入了地，Q1的柵極就從高電位變?yōu)榈碗娢唬琎1導(dǎo)通電就從Q1同過加到3v穩(wěn)壓IC的輸入腳，3v穩(wěn)壓IC就是那個(gè)U1輸出3v的工作電壓vcc供給主控，主控通過復(fù)位清0。
讀取固件程序檢測(cè)等一系列動(dòng)作，輸處一個(gè)控制電壓到PWR_ON再通過R24、R13分壓送到Q2的基極，保持Q2一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，即使你松開開機(jī)鍵斷開Q1的基極電壓，這時(shí)候有主控送來(lái)的控制電壓保持著，Q2也就一直能夠處于導(dǎo)通狀態(tài)，Q1就能源源不斷的給3v穩(wěn)壓IC提供工作電壓！SW1還同時(shí)通過R11、R30兩個(gè)電阻的分壓，給主控PLAYON腳送去時(shí)間長(zhǎng)短、次數(shù)不同的控制信號(hào)，主控通過固件鑒別是播放、暫停、開機(jī)、關(guān)機(jī)而輸出不同的結(jié)果給相應(yīng)的控制點(diǎn)，以達(dá)到不同的工作狀態(tài)！
下圖是兩種MOS管的典型應(yīng)用：其中第一種NMOS管為高電平導(dǎo)通，低電平截?cái)啵珼rain端接后面電路的接地端；第二種為PMOS管典型開關(guān)電路，為高電平斷開，低電平導(dǎo)通，Drain端接后面電路的VCC端。
驅(qū)動(dòng)電路加速M(fèi)OS管關(guān)斷時(shí)間
隔離驅(qū)動(dòng)
為了滿足如上圖所示高端MOS管的驅(qū)動(dòng)，經(jīng)常會(huì)采用變壓器驅(qū)動(dòng)，有時(shí)為了滿足安全隔離也使用變壓器驅(qū)動(dòng)。其中R1目的是抑制PCB板上寄生的電感與C1形成LC振蕩，C1的目的是隔開直流，通過交流，同時(shí)也能防止磁芯飽和。
下圖（a）為常用的小功率驅(qū)動(dòng)電路，簡(jiǎn)單可靠成本低。適用于不要求隔離的小功率開關(guān)設(shè)備。下圖（b）所示驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)速度很快，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，為防止兩個(gè)MOSFET管直通，通常串接一個(gè)0.5～1Ω小電阻用于限流，該電路適用于不要求隔離的中功率開關(guān)設(shè)備。這兩種電路特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
功率MOSFET屬于電壓型控制器件，只要柵極和源極之間施加的電壓超過其閥值電壓就會(huì)導(dǎo)通。由于MOSFET存在結(jié)電容，關(guān)斷時(shí)其漏源兩端電壓的突然上升將會(huì)通過結(jié)電容在柵源兩端產(chǎn)生干擾電壓。常用的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷回路阻抗小，關(guān)斷速度較快，但它不能提供負(fù)壓，故抗干擾性較差。為了提高電路的抗干擾性，可在此種驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上增加一級(jí)有V1、V2、R組成的電路，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，電路原理圖如圖所示。
當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí)，V2關(guān)斷，兩個(gè)MOSFET中的上管的柵、源極放電，下管的柵、源極充電，即上管關(guān)斷，下管導(dǎo)通，則被驅(qū)動(dòng)的功率管關(guān)斷;反之V1關(guān)斷時(shí)，V2導(dǎo)通，上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷，使驅(qū)動(dòng)的管子導(dǎo)通。因?yàn)樯舷聝蓚€(gè)管子的柵、源極通過不同的回路充放電，包含有V2的回路，由于V2會(huì)不斷退出飽和直至關(guān)斷，所以對(duì)于S1而言導(dǎo)通比關(guān)斷要慢，對(duì)于S2而言導(dǎo)通比關(guān)斷要快，所以兩管發(fā)熱程度也不完全一樣，S1比S2發(fā)熱嚴(yán)重。
該驅(qū)動(dòng)電路的缺點(diǎn)是需要雙電源，且由于R的取值不能過大，否則會(huì)使V1深度飽和，影響關(guān)斷速度，所以R上會(huì)有一定的損耗。
正激式驅(qū)動(dòng)電路
電路原理如下圖（a）所示，N3為去磁繞組，S2為所驅(qū)動(dòng)的功率管。R2為防止功率管柵極、源極端電壓振蕩的一個(gè)阻尼電阻。因不要求漏感較小，且從速度方面考慮，一般R2較小，故在分析中忽略不計(jì)。
正激式驅(qū)動(dòng)電路
其等效電路圖如圖正激式驅(qū)動(dòng)電路（b）所示脈沖不要求的副邊并聯(lián)一電阻R1，它做為正激變換器的假負(fù)載，用于消除關(guān)斷期間輸出電壓發(fā)生振蕩而誤導(dǎo)通。同時(shí)它還可以作為功率MOSFET關(guān)斷時(shí)的能量泄放回路。該驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通速度主要與被驅(qū)動(dòng)的S2柵極、
源極等效輸入電容的大小、S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的速度以及S1所能提供的電流大小有關(guān)。由仿真及分析可知，占空比D越小、R1越大、L越大，磁化電流越小，U1值越小，關(guān)斷速度越慢。該電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：①電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，實(shí)現(xiàn)了隔離驅(qū)動(dòng)。②只需單電源即可提供導(dǎo)通時(shí)的正、關(guān)斷時(shí)負(fù)壓。③占空比固定時(shí)，通過合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，此驅(qū)動(dòng)電路也具有較快的開關(guān)速度。
該電路存在的缺點(diǎn)：一是由于隔離變壓器副邊需要噎嗝假負(fù)載防振蕩，故電路損耗較大;二是當(dāng)占空比變化時(shí)關(guān)斷速度變化較大。脈寬較窄時(shí)，由于是儲(chǔ)存的能量減少導(dǎo)致MOSFET柵極的關(guān)斷速度變慢。
如下圖所示，V1、V2為互補(bǔ)工作，電容C起隔離直流的作用，T1為高頻、高磁率的磁環(huán)或磁罐。
有隔離變壓器的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路
導(dǎo)通時(shí)隔離變壓器上的電壓為（1-D）Ui、關(guān)斷時(shí)為DUi，若主功率管S可靠導(dǎo)通電壓為12V，而隔離變壓器原副邊匝比N1/N2為12/［（1-D）Ui］。為保證導(dǎo)通期間GS電壓穩(wěn)定C值可稍取大些。該電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，具有電氣隔離作用。當(dāng)脈寬變化時(shí)，驅(qū)動(dòng)的關(guān)斷能力不會(huì)隨著變化。
②該電路只需一個(gè)電源，即為單電源工作。隔直電容C的作用可以在關(guān)斷所驅(qū)動(dòng)的管子時(shí)提供一個(gè)負(fù)壓，從而加速了功率管的關(guān)斷，且有較高的抗干擾能力。
但該電路存在的一個(gè)較大缺點(diǎn)是輸出電壓的幅值會(huì)隨著占空比的變化而變化。當(dāng)D較小時(shí)，負(fù)向電壓小，該電路的抗干擾性變差，且正向電壓較高，應(yīng)該注意使其幅值不超過MOSFET柵極的允許電壓。當(dāng)D大于0.5時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓正向電壓小于其負(fù)向電壓，此時(shí)應(yīng)該注意使其負(fù)電壓值不超過MOAFET柵極允許電壓。所以該電路比較適用于占空比固定或占空比變化范圍不大以及占空比小于0.5的場(chǎng)合。
集成芯片UC3724/3725構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路
電路構(gòu)成如下圖所示。其中UC3724用來(lái)產(chǎn)生高頻載波信號(hào)，載波頻率由電容CT和電阻RT決定。一般載波頻率小于600kHz，4腳和6腳兩端產(chǎn)生高頻調(diào)制波，經(jīng)高頻小磁環(huán)變壓器隔離后送到UC3725芯片7、8兩腳經(jīng)UC3725進(jìn)行調(diào)制后得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)，UC3725內(nèi)部有一肖特基整流橋同時(shí)將7、8腳的高頻調(diào)制波整流成一直流電壓供驅(qū)動(dòng)所需功率。一般來(lái)說(shuō)載波頻率越高驅(qū)動(dòng)延時(shí)越小，但太高抗干擾變差;隔離變壓器磁化電感越大磁化電流越小，UC3724發(fā)熱越少，但太大使匝數(shù)增多導(dǎo)致寄生參數(shù)影響變大，同樣會(huì)使抗干擾能力降低。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：
對(duì)于開關(guān)頻率小于100kHz的信號(hào)一般取（400～500）kHz載波頻率較好，變壓器選用較高磁導(dǎo)如5K、7K等高頻環(huán)形磁芯，其原邊磁化電感小于約1毫亨左右為好。這種驅(qū)動(dòng)電路僅適合于信號(hào)頻率小于100kHz的場(chǎng)合，因信號(hào)頻率相對(duì)載波頻率太高的話，相對(duì)延時(shí)太多，且所需驅(qū)動(dòng)功率增大，UC3724和UC3725芯片發(fā)熱溫升較高，故100kHz以上開關(guān)頻率僅對(duì)較小極電容的MOSFET才可以。
對(duì)于1kVA左右開關(guān)頻率小于100kHz的場(chǎng)合，它是一種良好的驅(qū)動(dòng)電路。該電路具有以下特點(diǎn)：?jiǎn)坞娫垂ぷ鳎刂菩盘?hào)與驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)隔離，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單尺寸較小，尤其適用于占空比變化不確定或信號(hào)頻率也變化的場(chǎng)合。
第一種應(yīng)用，由PMOS來(lái)進(jìn)行電壓的選擇，當(dāng)V8V存在時(shí)，此時(shí)電壓全部由V8V提供，將PMOS關(guān)閉，VBAT不提供電壓給VSIN，而當(dāng)V8V為低時(shí)，VSIN由8V供電。注意R120的接地，該電阻能將柵極電壓穩(wěn)定地拉低，確保PMOS的正常開啟，這也是前文所描述的柵極高阻抗所帶來(lái)的狀態(tài)隱患。D9和D10的作用在于防止電壓的倒灌。D9可以省略。這里要注意到實(shí)際上該電路的DS接反，這樣由附生二極管導(dǎo)通導(dǎo)致了開關(guān)管的功能不能達(dá)到，實(shí)際應(yīng)用要注意。
來(lái)看這個(gè)電路，控制信號(hào)PGC控制V4.2是否給P_GPRS供電。此電路中，源漏兩端沒有接反，R110與R113存在的意義在于R110控制柵極電流不至于過大，R113控制柵極的常態(tài)，將R113上拉為高，截至PMOS，同時(shí)也可以看作是對(duì)控制信號(hào)的上拉，當(dāng)MCU內(nèi)部管腳并沒有上拉時(shí)，即輸出為開漏時(shí)，并不能驅(qū)動(dòng)PMOS關(guān)閉，此時(shí)，就需要外部電壓給予的上拉，所以電阻R113起到了兩個(gè)作用。R110可以更小，到100歐姆也可。
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