MOS管开关电路设计

原文摘录:MOS管基本知识
http://www.51hei.com/bbs/dpj-31879-1.html
(出处: 单片机论坛)

一直以来模拟电路就学的不好,好不容易把三极管了解完了,就一直没敢碰MOSFET了,没想到两年后还是会遇到,不过有一句话倒是很不错,就是技术这个东西不能太深入,否则你会发现其实都很简单.

(一)MOSFET管的基本知识
MOSFET是利用半导体表面的电场效应进行工作的,也称为表面场效应器件.它分为N沟道和P沟道两类,其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种,所谓耗尽型就是当 时,存在导电沟道, ,所谓增强型就是 时,没有导电沟道,即 .

以上是N沟道和P沟道MOS管的符号图 ,
其相关基本参数:
(1)开启电压Vth,指栅源之间所加的电压,
(2)饱和漏电流IDSS,指的是在VGS=0的情况下,当VDS>|Vth|时的漏极电流称为饱和漏电流IDSS
(3)最大漏源电压VDS
(4)最大栅源电压VGS
(5)直流输入电阻RGS
通常MOS管的漏极与源极与以互换,但有些产品出厂时已将源极与衬底连在一起,这时源极与漏极不能对调,使用时应该注意.下面以FDN336P的一些主要参数为例进行介绍:

上表指出其源极与漏极之间的电压差为20V,而且只能是S接正极,D接负极,
栅极与源极之间的最大电压差为8V,可以反接.
源极最大电流为1.3A,由S->D流向,脉冲电流为10A

这是表示在 时,V DS =-16V时的饱和漏电流,

上图表示其开启电压为1.5V,并指出了其DS间导通电阻值.

(二)MOSFET做开关管的知识
一般来讲,三极管是电流驱动的,MOSFET是电压驱动的,因为我是用CPLD来驱动这个开关,所以选择了用MOSFET做,这样也可以节省系统功耗吧,在做开关管时有一个必须注意的事项就是输入和输入两端间的管压降问题,比如一个5V的电源,经过管子后可能变为了4.5V,这时候要考虑负载能不能接受了,我曾经遇到过这样的问题就是负载的最小工作电压就是5V了,经过管子后发现系统工作不起来,后来才想起来管子上占了一部分压降了,类似的问题还有在使用二极管的时候(尤其是做电压反接保护时)也要注意管子的压降问题
开关电路原则
a.  BJT三极管 Transistors      只要发射极e 对电源短路 就是电子开关用法
                 N管 发射极E 对电源负极短路. (搭铁) 低边开关 ;b-e 正向电流 饱和导通
                 P管 发射极E 对电源正极短路.           高边开关  ;b-e 反向电流 饱和导通

b.  FET场效应管 MOSFET  只要源极S 对电源短路 就是电子开关用法
                 N管 源极S 对电源负极短路. (搭铁) 低边开关    ;栅-源 正向电压 导通
                 P管 源极S 对电源正极短路.           高边开关    ;栅-源  反向电压 导通
总结:
     低边开关用 NPN 管
     高边开关用 PNP 管
三极管 b-e 必须有大于 C-E 饱和导通的电流 
场效应管理论上栅-源有大于 漏-源导通条件的电压就 就OK


假如原来用 NPN 三极管作 ECU 氧传感器 加热电源控制低边开关
则直接用      N-Channel 场效应管代换    ;或看情况修改 下拉或上拉电阻
                            基极--栅极
                         集电极--漏极
                         发射极--源极
上面是在一个论坛上摘抄的,语言通俗,很实用,

这是从方佩敏老师写的文章里摘抄的一个开关电路图,
用PMOSFET构成的电源自动切换开关
    在需要电池供电的便携式设备中,有的电池充电是在系统充电,即充电时电池不用拔下来。另外为了节省功耗,需要在插入墙上适配器电源时,系统自动切换为适配器供电,断开电池与负载的连接;如果拔掉适配器电源,系统自动切换为电池供电。本电路用一个PMOSFET构成这种自动切换开关。
    图中的V_BATT表示电池电压,VIN_AC表示适配器电压。当插入适配器电源时,VIN_AC电压高于电池电压(否则适配器电源就不能对电池充电),Vgs>0,MOSFET截止,系统由适配器供电。拔去适配器电源,则栅极电压为零,而与MOSFET封装在一体的施特基二极管使源极电压近似为电池电压,导致Vgs小于Vgsth,MOSFET导通,从而系统由电池供电。
上面也是从网上摘抄的开关电路图 .
总结以上知识,在选MOSFET开关时,首先选MOS管的VDS电压,和其VGS开启电压,再就是ID电流值是否满足系统需要,然后再考虑封装了,功耗了,价格了之类次要一些的因素了,以上是用P沟道MOS管做的例子,N沟道的其实也是基本上一样用的.

    
跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了。这个很容易做到,但是,我们还需要速度。

    MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在,这不是我们需要的,而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些,但没有办法避免。  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,实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。
管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的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在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越快,损失也越大。


    导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大。缩短开关时间,可以减小每次导通时的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。  

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