mos管電子開(kāi)關(guān)電路圖-mos管電子開(kāi)關(guān)電路基本知識(shí)及特點(diǎn)、導(dǎo)通性等詳解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-09-04
MOS管開(kāi)關(guān)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。因MOS管分為N溝道與P溝道，所以開(kāi)關(guān)電路也主要分為兩種。
一般情況下普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的MOS，導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大4V或10V.如果在同一個(gè)系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵，要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng)MOS管。
MOS管是電壓驅(qū)動(dòng)，按理說(shuō)只要柵極電壓到到開(kāi)啟電壓就能導(dǎo)通DS，柵極串多大電阻均能導(dǎo)通。但如果要求開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，柵對(duì)地或VCC可以看做是一個(gè)電容，對(duì)于一個(gè)電容來(lái)說(shuō)，串的電阻越大，柵極達(dá)到導(dǎo)通電壓時(shí)間越長(zhǎng)，MOS處于半導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)間也越長(zhǎng)，在半導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)阻較大，發(fā)熱也會(huì)增大，極易損壞MOS，所以高頻時(shí)柵極柵極串的電阻不但要小，一般要加前置驅(qū)動(dòng)電路的。
電子開(kāi)關(guān)電源的電路組成如下：
開(kāi)關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成。IC根據(jù)輸出電壓和電流時(shí)刻調(diào)整著⑥腳鋸形波占空比的大小，從而不亂了整機(jī)的輸出電流和電壓。從R3測(cè)得的電流峰值信號(hào)介入當(dāng)前工作周波的占空比控制，因此是當(dāng)前工作周波的電流限制。
Q1的柵極受控電壓為鋸形波，當(dāng)其占空比越大時(shí)，Q1導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，變壓器所儲(chǔ)存的能量也就越多；當(dāng)Q1截止時(shí)，變壓器通過(guò)D1、D2、R5、R4、C3開(kāi)釋能量，同時(shí)也達(dá)到了磁場(chǎng)復(fù)位的目的，為變壓器的下一次存儲(chǔ)、傳遞能量做好了預(yù)備。在開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)，變壓器的原邊線圈易產(chǎn)生尖峰電壓和尖峰電流，這些元件組合一起，能很好地吸收尖峰電壓和電流。
1:輸入濾波電路：C1、L1、C2組成的雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行按捺，防止對(duì)電源干擾，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。Z1通常將MOS管的GS電壓限制在18V以下，從而保護(hù)了MOS管。因瞬時(shí)能量全消耗在RT1電阻上，一定時(shí)間后溫度升高后RT1阻值減（RT1是負(fù)溫系數(shù)元件），這時(shí)它消耗的能量非常小，后級(jí)電路可正常工作。C3、C4 為安規(guī)電容，L2、L3為差模電感。
2:輸入濾波電路：C1、L1、C2、C3組成的雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行按捺，防止對(duì)電源干擾，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。
3:工作原理：R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2組成緩沖器，和開(kāi)關(guān)MOS管并接，使開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力減少，EMI減少，不發(fā)生二次擊穿。輔助電路有輸入過(guò)欠壓保護(hù)電路、輸出過(guò)欠壓保護(hù)電路、輸出過(guò)流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等。
MOSFET管是FET的一種（另一種是JFET），可以被制造成增強(qiáng)型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。至于為什么不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問(wèn)底。對(duì)于這兩種增強(qiáng)型MOS管，比較常用的是NMOS.原因是導(dǎo)通電阻小，且容易制造。所以開(kāi)關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，一般都用NMOS.下面的介紹中，也多以NMOS為主。
MOS管的三個(gè)管腳之間有寄生電容存在，這不是我們需要的，而是由于制造工藝限制產(chǎn)生的。寄生電容的存在使得在設(shè)計(jì)或選擇驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候要麻煩一些，但沒(méi)有辦法避免，后邊再詳細(xì)介紹。在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個(gè)寄生二極管。這個(gè)叫體二極管，在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載（如馬達(dá)），這個(gè)二極管很重要。順便說(shuō)一句，體二極管只在單個(gè)的MOS管中存在，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒(méi)有的。
導(dǎo)通的意思是作為開(kāi)關(guān)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。
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)），只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。
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)）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS.
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(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)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(kāi)關(guān)損失。通常開(kāi)關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開(kāi)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?？s短開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失;降低開(kāi)關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。
跟雙極性晶體管相比，一般認(rèn)為使MOS管導(dǎo)通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。這個(gè)很容易做到，但是，我們還需要速度。
在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流，因?yàn)閷?duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。
而在進(jìn)行MOSFET的選擇時(shí)，因?yàn)镸OSFET有兩大類型：N溝道和P溝道。在功率系統(tǒng)中，MOSFET可被看成電氣開(kāi)關(guān)。當(dāng)在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時(shí)，其開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。導(dǎo)通時(shí)，電流可經(jīng)開(kāi)關(guān)從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個(gè)內(nèi)阻，稱為導(dǎo)通電阻RDS（ON）。必須清楚MOSFET的柵極是個(gè)高阻抗端，因此，總是要在柵極加上一個(gè)電壓。這就是后面介紹電路圖中柵極所接電阻至地。如果柵極為懸空，器件將不能按設(shè)計(jì)意圖工作，并可能在不恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻導(dǎo)通或關(guān)閉，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。當(dāng)源極和柵極間的電壓為零時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過(guò)器件。雖然這時(shí)器件已經(jīng)關(guān)閉，但仍然有微小電流存在，這稱之為漏電流，即IDSS.
圖中電池的正電通過(guò)開(kāi)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(guò)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(guò)，3v穩(wěn)壓IC輸入腳得不到電壓所以就不能工作不開(kāi)機(jī)！這時(shí)，如果我們按下SW1開(kāi)機(jī)按鍵時(shí)，正電通過(guò)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(guò)），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(guò)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?，Q1導(dǎo)通電就從Q1同過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)開(kāi)機(jī)鍵斷開(kāi)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(guò)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(guò)固件鑒別是播放、暫停、開(kāi)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)?，Drain端接后面電路的接地端；第二種為PMOS管典型開(kāi)關(guān)電路，為高電平斷開(kāi)，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，為了滿足如圖所示高端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(kāi)直流，通過(guò)交流，同時(shí)也能防止磁芯飽和。
如圖所示為常用的小功率驅(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(kāi)關(guān)設(shè)備。如圖所示驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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。
正激式驅(qū)動(dòng)電路
電路原理如圖所示，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)。其等效電路圖如圖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(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，此驅(qū)動(dòng)電路也具有較快的開(kāi)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。
有隔離變壓器的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路
如圖所示，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。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(guò)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(guò)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。
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