MOS管的基础知识_信息与通信_工程技术_专业信息

MOS管(MOSFET)的基本知识,结构,特性,驱动电路和应用基础知识:结构,特性驱动电路和应用的基础知识MOS管(MOSFET)基本知识:结构,特性驱动电路和应用分析。以下是我对MOSFET的分析以及MOSFET驱动电路的的基础知识摘要,其中涉及的是某些材料,而并非全部都是原始材料。包括M OS管的的介绍,特性,驱动和应用电路。 1. MOS管的类型和结构MOSFET管是FET 的(另一个是JFET),可以制造为增强型或耗尽型,P沟道或N沟道4种类型,但有实际应用的它们仅是增强型的 N沟道MOS晶体管和增强型的 P沟道MOS晶体管,因此NMOS或PMOS通常被称为的。至于为什么不使用耗尽型的 MOS晶体管,则不建议深入了解它。对于这两个增强型MOS晶体管,更常用的的是NMOS。原因是导通电阻小且易于制造。因此,NMOS通常用于开关电源和电动机驱动器的应用中。在下面的介绍中的,NMOS也是主要重点。 MOS管的的三个引脚之间存在寄生电容。这不是我们所需要的的,而是由制造工艺限制的引起的。寄生电容的的存在使设计或选择驱动电路的有点麻烦,但是没有办法避免。我将在后面详细介绍。

正如您在MOS管原理图上看到的那样,在漏极和源极之间有一个寄生二极管。这称为体二极管。在驱动感性负载(例如电动机)时,此二极管非常重要。顺便提及电子烟mos管选型及基础知识,体二极管仅存在于单个的 MOS晶体管中,并且集成电路芯片内部通常不存在的。 2. MOS晶体管的导通特性导通的表示一个开关,等效于一个闭合开关。 NMOS 的特性,Vgs大于某个的值,只要源极接地(低侧驱动),只要栅极电压达到4V或10V,它就会导通,适用于的 。具有PMOS 的特性时,如果Vgs小于某个的值,则Vgs将打开,当源连接到VCC(高端驱动器)时,该值适用于的。但是,尽管PMOS可以方便地用作高端驱动器,但由于导通电阻大,价格昂贵价格和替换类型少,NMOS通常用于高端驱动器。 3. MOS开关管的损耗无论是NMOS还是PMOS,导通后都会存在导通电阻,因此电流会消耗该电阻上的能量。消耗的这部分能量的称为传导损耗。选择较小的导通电阻的 MOS管将减少传导损耗。现在,的低功率MOS管的导通电阻通常在几十毫欧左右,并且也有几毫欧的。打开和关闭MOS 的时,不得立即完成的。 MOS 的两端的电压具有下降的的过程,流过的的电流具有的上升的过程。在此期间,MOS管的损耗的是电压和电流的的乘积,称为开关损耗。

通常,开关损耗比传导损耗大得多,并且开关频率越快,损耗越大。接通时的电压和电流的的乘积非常大,并且的的损耗也非常大。缩短切换时间可以减少每次打开的时的损耗;降低开关频率可以减少每单位时间的开关次数的。这两种方法都可以减少开关损耗。 4. MOS管驱动与双极型晶体管相比,通常认为,只要GS电压高于某个的值,就不需要电流来导通MOS管。这很容易做到,但是我们仍然需要速度。在MOS管的的结构中,可以看出在GS和GD之间存在寄生电容,并且MOS管的的驱动实际上是对电容器的进行充电和放电。为电容器的充电需要电流,因为在电容器充电时电容器可被视为短路,因此瞬时电流将相对较大。在选择/设计MOS管驱动器时,首先要注意的是的可以提供瞬时短路电流的。第二个注意点的是它通常用于高端驱动器的 NMOS,并且栅极电压在打开时必须大于源极电压。高端驱动器的当M OS管打开时,源极电压与漏极电压(VCC)相同,因此此时栅极电压比VCC大4V或10V。如果要在同一系统中获得大于VCC的电压的,则需要特殊的的升压电路。许多电机驱动器都集成了电荷泵。应当注意,的应选择合适的的外部电容器,以获得足够的的短路电流来驱动MOS晶体管。

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如上所述,的 4V或10V是常用的的 MOS晶体管的的导通电压,当然,在设计中需要一定的的裕度。电压越高,传导速度越快,传导电阻越小。还有在不同的的领域中使用的具有较小导通电压的的 MOS晶体管,但是在12V汽车电子系统中,通常4V导通就足够了。有关MOS管的的驱动电路及其损耗的信息,请参考Microchip公司的 AN799将MOSFET驱动器与M OSFET匹配的信息。描述非常详细,因此我不打算编写更多内容。 5. MOS管应用电路MOS管最显着的的特性是其良好的开关特性,因此它广泛用于需要电子开关的,通用的的电路中,例如开关电源和电动机驱动器,以及照明调光。现在的 MOS驱动器有几个特殊的的要求:1.使用5V电源时的低压应用,如果此时使用传统的的图腾柱结构,因为晶体管的具有0.约有7V 的压降,导致实际添加到栅极的最终最终电压的仅是4. 3V。此时,如果我们选择标称栅极电压4. 5V 的 MOS晶体管,则存在一定的的风险。当使用3V或其他低压电源的时,也会出现相同的的问题。 2.宽电压应用输入电压不是固定值,会随时间或其他因素而变化。

此变化导致PWM电路为MO S管的提供不稳定的驱动电压的。为了使MOS晶体管在高栅极电压下安全,许多MOS晶体管具有内置的稳压器来强制限制栅极电压的幅度的。在这种情况下,当的驱动电压超过齐纳管的的电压时,将导致更大的的静态功耗。同时,如果简单地用电阻分压器的原理的降低栅极电压的,则当输入电压相对较高的时,MOS管工作良好,而当输入电压降低的时】,栅极电压不足,导致导通。通信不够彻底,从而增加了功耗。 3.双电压应用在某些控制电路中,逻辑部分使用典型的的 5V或3. 3V数字电压,而电源部分使用12V或更高的的电压。这两个电压以公共接地模式连接。这就提出了一个要求,即需要使用电路来使低压侧能够有效地控制高压侧的 MOS管,并且高压侧的 M OS管也将面对参考。 1和2 的问题中提到的问题。在这三种情况下,图腾柱结构不能满足输出要求,并且许多现成的的 MOS驱动器IC似乎都没有栅极电压限制的结构。因此,我设计了一种相对通用的的电路来满足这三个需求。电路图如下所示:图1为NMOS 的驱动电路图2为PMOS 的驱动电路在这里,我仅对NMOS驱动电路做一个简单的分析:Vl和Vh是低端和高端的电源,两个电压可以相同的,但Vl不应超过Vh。

Q1和Q2形成一个倒置的的图腾柱,以实现隔离并确保两个驱动管Q3和Q4不会同时打开。 R2和R3提供PWM电压基准。通过更改该参考,电路可以在PWM信号波形相对陡峭的位置上工作的。 Q3和Q4用于提供驱动电流,因为在导通的时,Q3和Q4相对于Vh和GND仅具有一个Vce 的压降。该电压降通常仅为0. 3V,远低于的 k6] 7V 的 Vce。 R5和R6是用于采样栅极电压的反馈电阻。采样后,的电压通过Q5,以在Q1和Q2 的的基础上产生强大的的负反馈,从而将栅极电压限制为有限的的 k5]数值。该值可以通过R5和R6进行调整。最后,R1提供Q3和Q4 的的基本电流极限,R4提供MOS晶体管的栅极的电流极限,即Q3和Q4 的 Ice 的的极限。必要时的,可以将加速电容器与R4并联。该电路具有以下的功能:1.使用低侧电压和PWM驱动高侧MOS晶体管。 2.使用小幅度的 PWM信号来驱动高栅极电压需求的 MOS晶体管。 3.栅极电压的峰值限制4.输入和输出的电流限制5.通过使用合适的的电阻,可以实现非常低的的功耗。

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6。 PWM信号反相。 NMOS不需要此功能,可以通过预先放置一个反相器来解决。在设计便携式设备和无线产品时,提高产品性能和延长电池工作时间是设计人员需要面对的两个问题的。 DC-DC转换器具有效率高,输出电流大,静态电流低等优点,非常适合于为便携式设备供电。当前,DC-DC转换器设计技术发展的主要趋势是:(1)高频技术:随着开关频率的的增加,开关转换器的的体积也随之减小,并且功率密度也大大提高了,动态响应也得到了改善。低功率DC-DC转换器的的开关频率将上升到兆赫兹水平。[2)低输出电压技术:随着功率放大器的不断发展,半导体制造技术的,微处理器和便携式电子设备的的工作电压越来越低,这要求将来的 DC-DC转换器可以提供低输出电压以满足微处理器和微处理器的要求。便携式电子设备的。这些技术的的发展是正确的。对功率芯片电路的的设计提出了更高的的要求,首先,随着开关频率[k]的不断提高。 [5]中,对开关元件的的性能提出了很高的的要求,并且必须具有相应的的。开关元件驱动电路确保开关元件在向上的开关频率下正常工作。到兆赫的。其次,对于以电池为动力的的便携式电子设备,电路的具有较低的工作电压(以锂电池为例电子烟,工作电压2. 5〜3. 6V),因此,电源芯片的的工作电压较低。

MOS晶体管具有非常低的的导通电阻和低能耗。在当前流行的的高效DC-DC芯片中,MOS晶体管通常用作电源开关。然而,由于MOS管的的大寄生电容,NMOS开关管的的栅极电容通常高达几十皮法拉。这对高频DC-DC转换器开关管驱动电路的的设计提出了更高的要求的。在低压ULSI设计中,有多种采用自举结构的逻辑电路和大电容负载的驱动电路的CMOS和BiCMOS。这些电路可以在电源电压低于1V的情况下正常工作,并且可以在负载电容为1至2 pF 的的情况下以数十兆赫甚至数百兆赫的频率工作。本文使用自举升压电路设计具有大负载电容的的驱动电路,该电路适用于低电压,高开关频率升压DC-DC转换器的。该电路基于三星AHP615 BiCM OS技术设计,并通过Hspice仿真进行了验证。当电源电压为1. 5V且负载电容为60pF时,工作频率可以达到5MHz以上。 MOSFET和MOSFET驱动电路知识摘要MOSFET和MOSFET驱动电路知识摘要以下是我的MOSFET和MOSFET驱动电路基础知识的摘要的,它涉及的是某些材料,而并非全部都是原始材料。

包括MOS晶体管的的介绍,特性,驱动和应用电路。在设计带有MOS晶体管的的开关电源或电机驱动电路时,大多数人会考虑MOS 的的导通电阻,最大电压等,最大电流等。许多人只考虑这些因素。这样,的电路可以工作的,但是它不是出色的的,并且不允许将其作为正式的的产品设计的。 1、 MOS管的类型和结构MOSFET管是场效应管的一种类型(另一种是JFET),可以制造为增强型或耗尽型,有4种类型的P沟道或N沟道,但实际应用中的仅具有增强的的 N沟道MOS晶体管和增强的的 P沟道MOS晶体管,因此NMOS或PMOS通常被称为的。右图显示了这两个MOS晶体管的的符号。至于为什么不使用耗尽型的 MOS晶体管,则不建议深入了解它。对于这两个增强型MOS晶体管,更常用的的是NMOS。原因是导通电阻小且易于制造。因此,NMOS通常用于开关电源和电动机驱动器的应用中。在下面的介绍中的,NMOS也是主要重点。如您在MOS管原理图上所见,在漏极和源极之间有一个寄生二极管。这称为体二极管。在驱动感性负载(例如电动机)时,此二极管非常重要。顺便说一下,该二极管仅存在于单个的 MOS晶体管中,并且集成电路芯片内部通常不存在的。

下图是MOS晶体管的的结构,通常的的示意图如右图的所示。 (有时未绘制用于栅极保护的二极管)在MOS晶体管的的三个引脚之间存在寄生电容,如右图所示。这不是我们所需要的的,但这是由于制造过程的局限性的所致。寄生电容的的存在使驱动电路的的设计或选择更加麻烦,但是无法避免。我将在设计MOS晶体管的驱动电路时对其进行详细介绍。 2、 MOS晶体管的导通特性导通的表示作为开关,等效于闭合开关。 NMOS 的特性,当Vgs大于某个的值时,Vgs将打开。只要栅极电压达到4V或10V,源极接地(低侧驱动)时就适合的。 PMOS 的特性,Vgs小于某个的值,它将被打开,当源连接到VCC(高端驱动器)时,使用的。但是,尽管PMOS可以方便地用作高端驱动器,但由于导通电阻大,价格昂贵价格和替换类型少,NMOS通常用于高端驱动器。右图是瑞萨电子2SK3418 的 Vgs电压和Vds电压的之间的关系。可以看出,当电流较小时,Vgs达到4V,DS之间的电压降已经很小,可以认为是导通的。 3、不管MOS开关管损耗是NMOS还是PMOS,导通后都会存在导通电阻,因此电流在DS之间流动的同时,两端都会有电压(如如图2SK3418的特性图所示),这样,电流将在该电阻上消耗能量,这部分消耗的能量的称为传导损耗。

选择小的导通电阻的 MOS晶体管将减少传导损耗。现在,的低功率MOS管的导通电阻通常在几十毫欧左右,并且也有几毫欧的。打开和关闭MOS 的时,不得立即完成的。 MOS 的两端的电压具有下降的的过程,流过的的电流具有的上升的过程。在这段时间内,MOS管的的损耗是电压和电流的的乘积。称为开关损耗。通常,开关损耗比传导损耗大得多,并且开关频率越快,损耗越大。下图是打开MOS管时的的波形。可以看出,导通时电压和电流的乘积的非常大,的的损耗也很大。减少开关时间可以减少每次打开时的的损耗。降低开关频率可以减少每单位时间的开关次数。这两种方法都可以减少开关损耗。 4、 MOS管驱动与双极型晶体管相比,通常认为,只要GS电压高于某个的值,就不需要电流来导通MOS管。这很容易做到,但是我们仍然需要速度。在MOS管的的结构中,可以看出在GS和GD之间存在寄生电容,并且MOS管的的驱动实际上是对电容器的进行充电和放电。为电容器的充电需要电流,因为在电容器充电时电容器可被视为短路,因此瞬时电流将相对较大。在选择/设计MOS管驱动器时,首先要注意的是的可以提供瞬时短路电流的。

第二个注意点的是它通常用于高端驱动器的 NMOS,并且在开启时栅极电压必须大于源极电压。高端驱动器的当M OS管打开时,源极电压与漏极电压(VCC)相同,因此此时栅极电压比VCC大4V或10V。如果要在同一系统中获得大于VCC的电压的,则需要特殊的的升压电路。许多电机驱动器都集成了电荷泵。应当注意,的应选择适当的外部电容器的以获取足够的的短路电流来驱动MOS晶体管。据说的 4V或10V是常用的的 MOS晶体管的的导通电压,当然在设计时需要一定的的裕度。电压越高,传导速度越快,传导电阻越小。还有在不同的的领域中使用的具有较小导通电压的的 MOS晶体管,但是在12V汽车电子系统中,通常4V导通就足够了。有关MOS管的的驱动电路及其损耗的信息,请参考Microchip 的 AN799将MOSFET驱动器匹配至MO SFET的信息。描述非常详细电子烟mos管选型及基础知识,因此我不打算编写更多内容。 5、 MOS管应用电路MOS管的最显着的特性是其良好的开关特性,因此它被广泛用于需要电子开关的,通用的的电路中,例如开关电源和电机驱动器,并且还有灯光调光功能。这三个应用程序在各个领域都有详细的的简介,因此暂时在这里我将不再赘述。

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稍后会有时间总结。功率场效应管(MOSFET)的结构,工作原理和应用的结构,工作原理与应用功率场效应管(MOSFET)的结构,功率场效应管(MOSFET)的结构,工作原理和应用本文将介绍功率MOSFET 的的结构,工作原理和基本工作电路。什么是场效应晶体管(MOSFET)“ MOSFET”是英文MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor 的的缩写,翻译成中文是“ Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”。它由三种材料制成:金属,氧化物(SiO2或SiN)和半导体的器件。所谓的功率场效应管(MOSFET)(功率场效应管(MOSFET))意味着它可以输出很大的的工作电流(几安培至几十安培),用于功率输出级的个设备。场效应晶体管(MOSFET)的结构图1是典型的平面N沟道增强型场效应晶体管(MOSFET)的的截面图。它使用P型硅半导体材料作为衬底(图1a),在其表面上扩散两个N型区域(图1b),然后覆盖一层二氧化硅(SiQ 2)绝缘层(图1c)) ,最后使用蚀刻的方法在N区域上方制造两个孔,并使用金属化的方法在绝缘层上和两个孔中制造三个电极:G(栅极),S(源极)和D(漏极),如图1d所示。

从图1可以看出,栅极G与漏极D和源极S绝缘的,并且D和S之间有两个PN结。通常,衬底和源极连接在一起内部。图1是N沟道增强模式场效应晶体管(MOSFET)的的基本结构图。为了改善某些参数的的特性,例如增加工作电流,增加工作电压,降低导通电阻和改善开关特性,存在不同的的结构和过程,因此所谓的VMOS,DMOS,TMOS等结构。图2是N沟道增强模式功率场效应晶体管(MOSFET)的的结构图。尽管的结构不同,但它们的工作原理相同的,因此在此我不会一一介绍。 MOSFET 的的工作原理为使增强模式N沟道MOSFET工作,必须在G和S之间施加一个正电压VGS,并在D和S之间产生一个正电压VDS。正工作电流ID。更改VGS 的电压可以控制工作电流ID。如图3所示(↑上方)。如果未先连接VGS(即VGS = 0)),则在D极和S极之间添加正电压VDS,漏极D和衬底之间的PN结的处于相反方向,因此没有导电如果在栅极G和源极S之间施加电压VGS,则可以将栅极和衬底视为电容器的和氧化物绝缘层的两块板用作电容器的的介质。

当添加VGS时,在绝缘层和栅极之间的界面上会感应出正电荷,而在绝缘层和P型衬底之间的界面上会感应出负电荷(如图3)所示)。该层感应出的负电荷,与P型衬底中的的多数载流子(空穴)的相反,因此被称为“反转层”,该反转层可以将漏极和漏极连接起来。源的至N型区域连接以形成导电通道,当VGS电压太低时,感应的的负电荷较少,并且会被P-中的的孔中和。衬底电子烟品牌,所以在这种情况下,漏极和源极之间仍然没有电流ID,当VGS增加到一定值时,其感应的的负电荷将两个分离的的 N区域连接起来,形成N该阈值电压称为开启电压(或阈值)。电压,即阈值电压,表示由符号VT(通常规定的 VGS为VT,当ID = 10uA时)。当VGS继续增加时,负电荷增加,导电通道扩大,电阻减小电子烟品牌,ID也增加。并且它显示出良好的线性关系,如图4所示。该曲线称为转换特性。因此,在一定范围内,可以考虑改变VGS以控制漏极和源极的之间的电阻,从而达到控制ID 的的效果。在这种结构中,当VGS = 0,ID = 0时,这种场效应管(MOSFET)被称为增强型。另一种类型的场效应管(MOSFE T),当VGS = 0时,也有一定的的 ID(称为IDSS),这种MOSFET被称为耗尽型。

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其的结构如图5所示,其的传递特性如图6所示。VP是夹断电压(ID = 0)。增强型是在制造SiO2绝缘层时存在大量的的正离子,这会在P型衬底的界面上产生更多的电荷的 的负电荷,即薄在P型硅中形成N型硅层以形成导电通道,因此当VGS = 0时,存在一定量的VDS函数的 ID(IDSS);当VGS带有电压时(可以正电压或负电压),当感应的负电荷量的改变时,ID 的的大小也会改变。当VP为ID = 0时,称为的 -VGS的夹点-除了上述使用P型硅作为衬底以形成N型导电沟道的 N沟道场效应晶体管(MOSFET)之外,N型硅也可以用作用作衬底以形成P型导电沟道的 P沟道场效应晶体管(MOSFET)。这样,MOSFET 的的分类如图7所示。耗尽型:N沟道(图7a);耗尽型:N沟道(图7a);耗尽型:N沟道(图7a)。 P通道(图c);增强型:N通道(图b); P通道(图d)。为了防止场效应晶体管(MOSFET)连接到电感负载,感应电压和电源电压的总和将在截止时击穿场效应晶体管(M OSFET),通常,功率MOSFET(MOSFET)在漏极和源极之间连接了一个快速恢复二极管,如图8所示。

功率MOSFET 的特性与双极型功率相比,功率MOSFET具有以下特性:1. MOSFET是一个电压控制器件(双极是一个电流控制器件),因此在使用时无需推压级驱动大电流,电路更简单; 2.输入阻抗很高,最高为108或更高; 3。 3,工作频率范围宽,开关速度快(开关时间从几十纳秒到几百纳秒不等),开关损耗低; 4.它具有更好的的线性面积,并且MOSFET 的的输入电容比双极的输入电容小得多,因此其的交流输入阻抗非常高;噪音也小,最适合制作高保真音频; 5。功率MOSFET(MOSFET)可以并联使用,以增加输出电流电子烟mos管选型及基础知识,而无需电流共享电阻。功率MOSFET(MOSFET)的典型应用电路1.电池反向连接保护电路电池反向连接保护电路如图9所示。通常,使用串联二极管的的方法来防止电池被反向连接损坏。 。电池接反时,PN接点接反而无压降,但在正常工作期间存在0. 6〜0. 7V 的管电压。降低。使用低导通电阻的的增强型N沟道场效应晶体管(MOSFET)具有非常小的的电子管压降(RDS(ON)×ID),例如Si9410DY 的 RDS(ON)约为0. 04,在lA处约为0. 04V。此时,应注意,正确安装电池后,ID不会完全穿过管中的的二极管,但是当VGS≥5V时,N导电通道将被畅通(等效于很小的的电阻),大部分电流是从S到D的电流的(ID为负)。

当电池倒置安装时,场效应晶体管(MOSF ET)发生故障,电路得到保护。 2.触摸调光电路一个简单的的触摸调光电路如图10所示。当手指触摸上触点时,电容由手指电阻和100k充电,VGS逐渐增大,并且灯逐渐变亮;当触摸下部触点时,电容器通过100k和手指电阻放电,并且指示灯逐渐变暗至熄灭。 3. A类功率放大器电路VGS静态工作点由R 1、 R2建立(此时,某个的 ID通过)。当音频信号通过C1耦合到网格以生成△VGS时,将生成更大的的△ID。输出变压器的阻抗匹配后,4-8扬声器将输出更大的的声音功率。在图11中,Dw是一个9V齐纳二极管,可保护G和S极免于因输入电压过高而击穿。从图中还可以看出,由于栅极输入阻抗非常高且没有栅极电流,因此偏置电阻的的值相对较大。

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