MOS管工作原理圖詳解-MOS管工作原理電路圖及結(jié)構(gòu)分析-KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2018-06-19
MOS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。
對于這兩種增強(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。所以開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動的應(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)計或選擇驅(qū)動電路的時候要麻煩一些,但沒有辦法避免,后邊再詳細(xì)介紹。
在MOS管工作原理圖上可以看到,漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管,在驅(qū)動感性負(fù)載(如馬達(dá)),這個二極管很重要。順便說一句,體二極管只在單個的MOS管中存在,在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒有的。
這是該裝置的核心,在介紹該部分工作原理之前,先簡單解釋一下MOS的工作原理圖。
它一般有耗盡型和增強(qiáng)型兩種。本文使用的為增強(qiáng)型MOS
MOS管,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見mos管工作原理圖。它可分為NPN型PNP型。NPN型通常稱為N溝道型,PNP型也叫P溝道型。由圖可看出,對于N溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上,同樣對于P溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。我們知道一般三極管是由輸入的電流控制輸出的電流。但對于場效應(yīng)管,其輸出電流是由輸入的電壓(或稱電場)控制,可以認(rèn)為輸入電流極小或沒有輸入電流,這使得該器件有很高的輸入阻抗,同時這也是我們稱之為場效應(yīng)管的原因。
為解釋MOS管工作原理圖,我們先了解一下僅含有一個P—N結(jié)的二極管的工作過程。如圖所示,我們知道在二極管加上正向電壓(P端接正極,N端接負(fù)極)時,二極管導(dǎo)通,其PN結(jié)有電流通過。這是因為在P型半導(dǎo)體端為正電壓時,N型半導(dǎo)體內(nèi)的負(fù)電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導(dǎo)體端,而P型半導(dǎo)體端內(nèi)的正電子則朝N型半導(dǎo)體端運(yùn)動,從而形成導(dǎo)通電流。同理,當(dāng)二極管加上反向電壓(P端接負(fù)極,N端接正極)時,這時在P型半導(dǎo)體端為負(fù)電壓,正電子被聚集在P型半導(dǎo)體端,負(fù)電子則聚集在N型半導(dǎo)體端,電子不移動,其PN結(jié)沒有電流通過,二極管截止。
對于MOS管(見圖),在柵極沒有電壓時,由前面分析可知,在源極與漏極之間不會有電流流過,此時MOS管與截止?fàn)顟B(tài)(圖a)。當(dāng)有一個正電壓加在N溝道的MOS管。
MOS管柵極上時,由于電場的作用,此時N型半導(dǎo)體的源極和漏極的負(fù)電子被吸引出來而涌向柵極,但由于氧化膜的阻擋,使得電子聚集在兩個N溝道之間的P型半導(dǎo)體中(見圖b),從而形成電流,使源極和漏極之間導(dǎo)通。我們也可以想像為兩個N型半導(dǎo)體之間為一條溝,柵極電壓的建立相當(dāng)于為它們之間搭了一座橋梁,該橋的大小由柵壓的大小決定。圖給出了P溝道的MOS管。
MOS管工作原理圖工作過程,其工作原理類似這里不再重復(fù)。
下面簡述一下用C-MOS場效應(yīng)管(增強(qiáng)型MOS管)組成的應(yīng)用電路的工作過程(見圖)。電路將一個增強(qiáng)型P溝道MOS管和一個增強(qiáng)型N溝道MOS場效應(yīng)管組合在一起使用。當(dāng)輸入端為低電平時,P溝道MOS管導(dǎo)通,輸出端與電源正極接通。當(dāng)輸入端為高電平時,N溝道MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通,輸出端與電源地接通。在該電路中,P溝道MOS場效應(yīng)管和N溝道MOS場效應(yīng)管總是在相反的狀態(tài)下工作,其相位輸入端和輸出端相反。通過這種工作方式我們可以獲得較大的電流輸出。同時由于漏電流的影響,使得柵壓在還沒有到0V,通常在柵極電壓小于1到2V時,MOS場效應(yīng)管既被關(guān)斷。不同場效應(yīng)管其關(guān)斷電壓略有不同。也正因為如此,使得該電路不會因為兩管同時導(dǎo)通而造成電源短路。
由以上分析我們可以畫出mos管工作原理圖中MOS管電路部分的工作過程(見圖)。工作原理同前所述。
MOS管最顯著的特性是開關(guān)特性好,所以被廣泛應(yīng)用在需要電子開關(guān)的電路中,常見的如開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動,也有照明調(diào)光。
現(xiàn)在的MOS驅(qū)動,有幾個特別的需求:
當(dāng)使用5V電源,這時候如果使用傳統(tǒng)的mos管工作原理圖圖騰柱結(jié)構(gòu),由于三極管的be有0.7V左右的壓降,導(dǎo)致實際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時候,我們選用標(biāo)稱gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風(fēng)險。
同樣的問題也發(fā)生在使用3V或者其他低壓電源的場合。
輸入電壓并不是一個固定值,它會隨著時間或者其他因素而變動。這個變動導(dǎo)致PWM電路提供給MOS管的驅(qū)動電壓是不穩(wěn)定的。
為了讓MOS管在高gate電壓下安全,很多MOS管內(nèi)置了穩(wěn)壓管強(qiáng)行限制gate電壓的幅值。在這種情況下,當(dāng)提供的驅(qū)動電壓超過穩(wěn)壓管的電壓,就會引起較大的靜態(tài)功耗。
同時,如果簡單的用電阻分壓的原理降低gate電壓,就會出現(xiàn)輸入電壓比較高的時候,MOS管工作良好,而輸入電壓降低的時候gate電壓不足,引起導(dǎo)通不夠徹底,從而增加功耗。
在一些控制電路中,邏輯部分使用典型的5V或者3.3V數(shù)字電壓,而功率部分使用12V甚至更高的電壓。兩個電壓采用共地方式連接。
這就提出一個要求,需要使用一個電路,讓低壓側(cè)能夠有效的控制高壓側(cè)的MOS管,同時高壓側(cè)的MOS管也同樣會面對1和2中提到的問題。
在這三種情況下,圖騰柱結(jié)構(gòu)無法滿足輸出要求,而很多現(xiàn)成的MOS驅(qū)動IC,似乎也沒有包含gate電壓限制的結(jié)構(gòu)。
于是我設(shè)計了一個相對通用的電路來滿足這三種需求。
mos管工作原理圖如下:
用于NMOS的驅(qū)動電路
用于PMOS的驅(qū)動電路
Vl和Vh分別是低端和高端的電源,兩個電壓可以是相同的,但是Vl不應(yīng)該超過Vh。
Q1和Q2組成了一個反置的圖騰柱,用來實現(xiàn)隔離,同時確保兩只驅(qū)動管Q3和Q4不會同時導(dǎo)通。
R2和R3提供了PWM電壓基準(zhǔn),通過改變這個基準(zhǔn),可以讓電路工作在PWM信號波形比較陡直的位置。
Q3和Q4用來提供驅(qū)動電流,由于導(dǎo)通的時候,Q3和Q4相對Vh和GND最低都只有一個Vce的壓降,這個壓降通常只有0.3V左右,大大低于0.7V的Vce。
R5和R6是反饋電阻,用于對gate電壓進(jìn)行采樣,采樣后的電壓通過Q5對Q1和Q2的基極產(chǎn)生一個強(qiáng)烈的負(fù)反饋,從而把gate電壓限制在一個有限的數(shù)值。這個數(shù)值可以通過R5和R6來調(diào)節(jié)。
最后,R1提供了對Q3和Q4的基極電流限制,R4提供了對MOS管的gate電流限制,也就是Q3和Q4的Ice的限制。必要的時候可以在R4上面并聯(lián)加速電容。
這個電路提供了如下的特性:
1,用低端電壓和PWM驅(qū)動高端MOS管。
2,用小幅度的PWM信號驅(qū)動高gate電壓需求的MOS管。
3,gate電壓的峰值限制
4,輸入和輸出的電流限制
5,通過使用合適的電阻,可以達(dá)到很低的功耗。
6,PWM信號反相。NMOS并不需要這個特性,可以通過前置一個反相器來解決。
在設(shè)計便攜式設(shè)備和無線產(chǎn)品時,提高產(chǎn)品性能、延長電池工作時間是設(shè)計人員需要面對的兩個問題。DC-DC轉(zhuǎn)換器具有效率高、輸出電流大、靜態(tài)電流小等優(yōu)點,非常適用于為便攜式設(shè)備供電。
(1)高頻化技術(shù):隨著開關(guān)頻率的提高,開關(guān)變換器的體積也隨之減小,功率密度也得到大幅提升,動態(tài)響應(yīng)得到改善。小功率DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率將上升到兆赫級。
(2)低輸出電壓技術(shù):隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷發(fā)展,微處理器和便攜式電子設(shè)備的工作電壓越來越低,這就要求未來的DC-DC變換器能夠提供低輸出電壓以適應(yīng)微處理器和便攜式電子設(shè)備的要求。
這些技術(shù)的發(fā)展對電源芯片電路的設(shè)計提出了更高的要求。首先,隨著開關(guān)頻率的不斷提高,對于開關(guān)元件的性能提出了很高的要求,同時必須具有相應(yīng)的開關(guān)元件驅(qū)動電路以保證開關(guān)元件在高達(dá)兆赫級的開關(guān)頻率下正常工作。其次,對于電池供電的便攜式電子設(shè)備來說,電路的工作電壓低(以鋰電池為例,工作電壓 2.5~3.6V),因此,電源芯片的工作電壓較低。
MOS管具有很低的導(dǎo)通電阻,消耗能量較低,在目前流行的高效DC-DC芯片中多采用MOS管作為功率開關(guān)。但是由于MOS管的寄生電容大,一般情況下 NMOS開關(guān)管的柵極電容高達(dá)幾十皮法。這對于設(shè)計高工作頻率DC-DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)管驅(qū)動電路的設(shè)計提出了更高的要求。
在低電壓ULSI設(shè)計中有多種CMOS、BiCMOS采用自舉升壓結(jié)構(gòu)的邏輯電路和作為大容性負(fù)載的驅(qū)動電路。這些電路能夠在低于1V電壓供電條件下正常工作,并且能夠在負(fù)載電容1~2pF的條件下工作頻率能夠達(dá)到幾十兆甚至上百兆赫茲。本文正是采用了自舉升壓電路,設(shè)計了一種具有大負(fù)載電容驅(qū)動能力的,適合于低電壓、高開關(guān)頻率升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動電路。電路基于Samsung AHP615 BiCMOS工藝設(shè)計并經(jīng)過Hspice仿真驗證,在供電電壓1.5V ,負(fù)載電容為60pF時,工作頻率能夠達(dá)到5MHz以上。
不管是NMOS還是PMOS,導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在,這樣電流就會在這個電阻上消耗能量,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管會減小導(dǎo)通損耗?,F(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)通和截止的時候,一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程,流過的電流有一個上升的過程,在這段時間內(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??s短開關(guān)時間,可以減小每次導(dǎo)通時的損失;降低開關(guān)頻率,可以減小單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。
上圖是MOS管工作原理圖導(dǎo)通時的波形??梢钥闯?,導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大。降低開關(guān)時間,可以減小每次導(dǎo)通時的損失;降低開關(guān)頻率,可以減小單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。
一款路由產(chǎn)品的硬件開發(fā)中,其中一項是客戶需要非標(biāo)準(zhǔn)POE供電,可輸出的POE供電電壓為12/24/30/48V切換,最大輸出功率設(shè)計為24W,電路采用反激式電源方案(電源芯片MP3910,芯片廠商提供方案),在調(diào)試該部分電路時出現(xiàn)MOS管(NMOS,SUD50N06)發(fā)熱嚴(yán)重,輸出電壓非帶載時正常,帶載時(開始帶載50%),MOS管發(fā)熱嚴(yán)重,輸出電壓被拉低,不論是輸出哪一路電壓,輸出只有9V左右,TLV431的穩(wěn)壓值只有1V左右(正常選擇的型號Vref=2.5V),開始一直覺得問題出在TLV431上,后來換了板子竟發(fā)現(xiàn)可以正常穩(wěn)壓(應(yīng)該是上一個板子變壓器和MOS管出現(xiàn)問題,但沒回去驗證),但是mos管很燙,帶載不到十秒鐘就會冒煙,后來經(jīng)過與芯片方案的FAE溝通才發(fā)現(xiàn),MSP3910的驅(qū)動MOS管的引腳gate腳與MOS管之間的限流電阻用錯物料,mos管工作原理圖是4.99歐,但實際用的是4.99K,更換電阻后可輸出正常電壓,MOS管也不會很燙。
下面是解決問題思路:
一、用示波器觀察所用MOS管的G極波形,如圖一所示 ,上升時間接近1.32us,下降時間接近<160ns(實測50ns),再看如圖二所示的手冊中對MOS驅(qū)動上升下降沿要求,上升時間要求<35ns,下降時間<80ns,可得結(jié)論:上升時間過長導(dǎo)致MOS管工作為線性狀態(tài),非開關(guān)狀態(tài)(參看總結(jié)一),MOS管開通過程時間太長直接導(dǎo)致了MOS管的發(fā)熱嚴(yán)重。
二、解決:更換驅(qū)動限流電阻(圖二中Rg),由于當(dāng)時手里當(dāng)時沒有4.99歐電阻,更換為22歐的電阻后,G極波形如圖三所示,Ton和Toff已經(jīng)接近圖二要求的時間,MOS管24V時帶載27歐,輸出功率21.3W,輸出電壓正常,MOS管基本不發(fā)熱。
1、電路設(shè)計的問題,就是讓MOS管工作在線性的工作狀態(tài),而不是在開關(guān)狀態(tài)。這也是導(dǎo)致MOS管發(fā)熱的一個原因。如果N-MOS做開關(guān),G級電壓要比電源高幾V,才能完全導(dǎo)通,P-MOS則相反。沒有完全打開而壓降過大造成功率消耗,等效直流阻抗比較大,壓降增大,所以U*I也增大,損耗就意味著發(fā)熱。這是設(shè)計電路的最忌諱的錯誤;(本次產(chǎn)品測試問題點雖然不是出在電路設(shè)計上,但BOM做錯比設(shè)計錯誤往往更難分析)
2、頻率太高,主要是有時過分追求體積,導(dǎo)致頻率提高,MOS管上的損耗增大了,所以發(fā)熱也加大了;
3、沒有做好足夠的散熱設(shè)計,電流太高,MOS管標(biāo)稱的電流值,一般需要良好的散熱才能達(dá)到。所以ID小于最大電流,也可能發(fā)熱嚴(yán)重,需要足夠的輔助散熱片;
4、MOS管的選型有誤,對功率判斷有誤,MOS管內(nèi)阻沒有充分考慮,導(dǎo)致開關(guān)阻抗增大。
MOS管工作狀態(tài)有四種,開通過程、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過程,截止?fàn)顟B(tài);
MOS管主要損耗:開關(guān)損耗,導(dǎo)通損耗,截止損耗,還有雪崩能量損耗,開關(guān)
損耗往往大于后者;
MOS管主要損壞原因:過流(持續(xù)大電流或瞬間超大電流),過壓(D-S,G-S被擊穿),靜電(個人認(rèn)為可屬于過壓);
MOS管工作過程非常復(fù)雜,里面變量很多,總之開關(guān)慢不容易導(dǎo)致米勒震蕩(介紹米勒電容,米勒效應(yīng)等,很詳細(xì)),但開關(guān)損耗會加大,發(fā)熱大;開關(guān)的速度快,損耗會減低,但是米勒震蕩很厲害,反而會使損耗增加。驅(qū)動電路布線和主回路布線要求很高,最終就是尋找一個平衡點,一般開通過程不超過1us;
Qgs:柵極從0V充電到對應(yīng)電流米勒平臺時總充入電荷,這個時候給Cgs充電(相當(dāng)于Ciss,輸入電容);
Qgd:整個米勒平臺的總充電電荷(不一定比Qgs大,僅指米勒平臺);
Qg:總的充電電荷,包含Qgs,Qgd,以及之外的其它;
上述三個參數(shù)的單位是nc(納庫),一般為幾nc到幾十nc;
Rds(on):導(dǎo)通內(nèi)阻,這個耐壓一定情況下,越小損耗;
總的選型規(guī)則:Qgs、Qgd、Qg較小,Rds(on)也較小的管.
聯(lián)系方式:鄒先生
聯(lián)系電話:0755-83888366-8022
手機(jī):18123972950
QQ:2880195519
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