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全面解析MOS管特性、驱动和使用电路

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管的导通电阻、最大电压、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

  在运用MOS管规划开关电源或许马达驱动电路的时分,大部分人都会考虑MOS管的导通电阻、最大电压、最大电流等,也有许多人只是考虑这些要素。这样的电路也许是可以作业的,但并不是优异的,作为正式的产品规划也是不允许的。

  下面是我对MOS及MOS驱动电路根底的一点总结,其间参阅了一些材料,并非原创。包括MOS管的介绍、特性、驱动以及运用电路。

  MOSFET管FET的一种(另一种是JEFT),可以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,所以一般说到的NMOS,或许PMOS便是指这两种。

  至于为什么不适用号耗尽型的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管的三个管束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。

  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大于必定的值就会导通,适用于源极接地的状况(低端驱动),只需栅极电压到达4V或10V就可以了。

  PMOS的特性,Vgs小于必定的值就会导通,适用于源极接Vcc的状况(高端驱动)。可是,尽管PMOS可以很便利的用作高端驱动,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,一般仍是用NMOS。

  MOS开关管丢失

  不管是NMOS仍是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样点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伏左右,几豪欧的也有。

  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,在这段时刻内,MOS管的丢失时电压和电流的乘积,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,形成的丢失也很大。缩短开关时刻,可以减小每次导通时的丢失,下降开关频率,可以减小单位时刻内的开关次数。这两种方法都可以减小开关丢失。

  MOS管驱动

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

  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,因为电容充电瞬间可以把电容当作短路,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。

  第二留意的是,遍及用于高端驱动的NMOS,导通时需求是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压和漏极电压(Vcc)相同,所以这是栅极电压要比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,以得到满意的短路电流去驱动MOS管。

  上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压,规划时当然需求有必定的余量。并且电压越高,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管用在不同的范畴,但在12V轿车电子体系里,一般4V导通就够用了。

  MOS管的驱动电路及其丢失,可以参阅Microchip公司的AN799 matching MOSFET Drivers to MOSFETs, 叙述得很具体,所以不计划多写了。

  MOS管运用电路

  MOS管最明显的特性是开关特性好,所以被广泛运用于需求电子开关的电路中,常见的如开关电源和马达驱动电路,也有照明调光。

  现在的MOS驱动,有几个特别的需求:

  1. 低压运用

  当运用5V电源,这时分假如运用传统的图腾柱结构,因为三极管的be只需0.7V左右的压降,导致实践终究加载gate上的电压只需4.3V,这时分,咱们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在必定的危险。相同的问题也发生在运用3V或许其他低压电源的场合。

  2. 宽电压运用

  输入电压并不是一个固定值,它会跟着时刻或许其他要素而变化。这个变化导致PWM电路供给给MOS管的驱动电压是不稳定的。

  为了让MOS管在高gate电压下安全,许多MOS管内置了稳压管强行约束gate电压的幅值。在这种状况下,当供给的驱动电压超越稳压管的电压,就会引起较大的静态功耗。

  一起,假如简略的用电阻分压的原理下降gate电压,就会呈现输入电压比较高的时分,MOS管作业杰出,而输入电压下降的时分gate电压缺乏,引起导通不行完全,然后添加功耗。

  3. 双电压运用

  在一些操控电路中,逻辑部分运用典型的5V或3.3V数字电压,而功率部分运用12V乃至更高的电压。两个电压选用共地方法衔接。

  这就提出一个要求,需求运用一个电路,让低压侧可以有用的操控高压侧的MOS管,一起高压侧的MOS管也相同会面临1和2说到的问题。

  在这三种状况下,图腾柱结构无法满意输出需求,而许多现成的MOS驱动IC,好像也没有包括gate电压约束的结构。

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