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MOS开关管的挑选及原理使用

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VC

一般状况下遍及用于高端驱动的MOS,导通时需求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.假如在同一个体系里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了。许多马达驱动器都集成了电荷泵,要留意的是应该挑选适宜的外接电容,以得到满足的短路电流去驱动MOS管。

MOS管是电压驱动,按理说只需栅极电压到到敞开电压就能导通DS,栅极串多大电阻均能导通。但假如要求开关频率较高时,栅对地或VCC能够看做是一个电容,关于一个电容来说,串的电阻越大,栅极到达导通电压时间越长,MOS处于半导通状况时间也越长,在半导通状况内阻较大,发热也会增大,极易损坏MOS,所以高频时栅极栅极串的电阻不但要小,一般要加前置驱动电路的。下面咱们先来了解一下MOS管开关的基础知识。

1、MOS管品种和结构

MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET),能够被制作成增强型或耗尽型,P沟道或N沟道共4品种型,但实践运用的只需增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管,所以一般说到NMOS,或许PMOS指的便是这两种。

至于为什么不运用耗尽型的MOS管,不主张寻根究底。

关于这两种增强型MOS管,比较常用的是NMOS.原因是导通电阻小,且简略制作。所以开关电源和马达驱动的运用中,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,这不是咱们需求的,而是因为制作工艺约束发生的。寄生电容的存在使得在规划或挑选驱动电路的时分要费事一些,但没有方法避免,后边再具体介绍。

在MOS管原理图上能够看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管,在驱动理性负载(如马达),这个二极管很重要。趁便说一句,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。

2、MOS管导通特性

导通的意思是作为开关,相当于开封闭合。

NMOS的特性,Vgs大于必定的值就会导通,合适用于源极接地时的状况(低端驱动),只需栅极电压到达4V或10V就能够了。

PMOS的特性,Vgs小于必定的值就会导通,合适用于源极接VCC时的状况(高端驱动)。可是,尽管PMOS能够很方便地用作高端驱动,但因为导通电阻大,价格贵,替换品种少等原因,在高端驱动中,一般仍是运用NMOS.

3、MOS开关管丢失

不管是NMOS仍是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻上耗费能量,这部分耗费的能量叫做导通损耗。挑选导通电阻小的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在导通和截止的时分,必定不是在瞬间完结的。MOS两头的电压有一个下降的进程,流过的电流有一个上升的进程,在这段时间内,MOS管的丢失是电压和电流的乘积,叫做开关丢失。一般开关丢失比导通丢失大得多,并且开关频率越快,丢失也越大。

导通瞬间电压和电流的乘积很大,形成的丢失也就很大。缩短开关时间,能够减小每次导通时的丢失;下降开关频率,能够减小单位时间内的开关次数。这两种方法都能够减小开关丢失。

4、MOS管驱动

跟双极性晶体管比较,一般认为使MOS管导通不需求电流,只需GS电压高于必定的值,就能够了。这个很简略做到,可是,咱们还需求速度。

在MOS管的结构中能够看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实践上便是对电容的充放电。对电容的充电需求一个电流,因为对电容充电瞬间能够把电容当作短路,所以瞬间电流会比较大。挑选/规划MOS管驱动时榜首要留意的是可供给瞬间短路电流的巨细。

而在进行MOSFET的挑选时,因为MOSFET有两大类型:N沟道和P沟道。在功率体系中,MOSFET可被当作电气开关。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)。有必要清楚MOSFET的栅极是个高阻抗端,因而,总是要在栅极加上一个电压。这便是后边介绍电路图中栅极所接电阻至地。假如栅极为悬空,器材将不能按规划目的作业,并可能在不恰当的时间导通或封闭,导致体系发生潜在的功率损耗。当源极和栅极间的电压为零时,开关封闭,而电流中止经过器材。尽管这时器材现已封闭,但仍然有细小电流存在,这称之为漏电流,即IDSS.

榜首步:选用N沟道仍是P沟道

为规划挑选正确器材的榜首步是决议选用N沟道仍是P沟道MOSFET.在典型的功率运用中,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,应选用N沟道MOSFET,这是出于对封闭或导通器材所需电压的考虑。当MOSFET连接到总线及负载接地时,就要用高压侧开关。一般会在这个拓扑中选用P沟道MOSFET,这也是出于对电压驱动的考虑。

第二步:确认额定电流

第二步是挑选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状况下能够接受的最大电流。与电压的状况类似,规划人员有必要保证所选的MOSFET能接受这个额定电流,即便在体系发生尖峰电流时。两个考虑的电流状况是接连形式和脉冲尖峰。该参数以FDN304P管DATASHEET为参阅,参数如图所示:

在接连导通形式下,MOSFET处于稳态,此刻电流接连经过器材。脉冲尖峰是指有很多电涌(或尖峰电流)流过器材。一旦确认了这些条件下的最大电流,只需直接挑选能接受这个最大电流的器材便可。

选好额定电流后,还有必要核算导通损耗。在实践状况下,MOSFET并不是抱负的器材,因为在导电进程中会有电能损耗,这称之为导通损耗。MOSFET在“导通”时就像一个可变电阻,由器材的RDS(ON)所确认,并随温度而明显改变。器材的功率耗费可由Iload2×RDS(ON)核算,因为导通电阻随温度改变,因而功率耗费也会随之按份额改变。对MOSFET施加的电压VGS越高,RDS(ON)就会越小;反之RDS(ON)就会越高。对体系规划人员来说,这便是取决于体系电压而需求折中权衡的当地。对便携式规划来说,选用较低的电压比较简略(较为遍及),而关于工业规划,可选用较高的电压。留意RDS(ON)电阻会跟着电流细微上升。关于RDS(ON)电阻的各种电气参数改变可在制作商供给的技术材料表中查到。

第三步:确认热要求

挑选MOSFET的下一步是核算体系的散热要求。规划人员有必要考虑两种不同的状况,即最坏状况和真实状况。主张选用针对最坏状况的核算成果,因为这个成果供给更大的安全余量,能保证体系不会失效。在MOSFET的材料表上还有一些需求留意的丈量数据;比方封装器材的半导体结与环境之间的热阻,以及最大的结温。

器材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])。依据这个方程可解出体系的最大功率耗散,即按界说相等于I2×RDS(ON)。因为规划人员已确认即将经过器材的最大电流,因而能够核算出不同温度下的RDS(ON)。值得留意的是,在处理简略热模型时,规划人员还有必要考虑半导体结/器材外壳及外壳/环境的热容量;即要求印刷电路板和封装不会当即升温。

一般,一个PMOS管,会有寄生的二极管存在,该二极管的作用是避免源漏端反接,关于PMOS而言,比起NMOS的优势在于它的敞开电压能够为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,这将导致操控电压必定大于所需的电压,会呈现不必要的费事。选用PMOS作为操控开关,有下面两种运用:

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