【導(dǎo)讀】在使用MOS管設(shè)計開關(guān)電源或者馬達驅(qū)動電路的時候，大部分人都會考慮MOS的最大電流、最大電壓、導(dǎo)通電阻等。如果僅僅考慮這些因素，這樣的電路也許可以工作，但并不是優(yōu)秀的，也不允許作為正式的產(chǎn)品設(shè)計。優(yōu)秀的工程師說：設(shè)計優(yōu)秀的電路還需要對MOSFET及MOSFET驅(qū)動電路的基礎(chǔ)了解清楚。
本文是一位資深工程師對MOSFET及MOSFET驅(qū)動電路基礎(chǔ)的總結(jié)，包括MOS管的種類和結(jié)構(gòu)等介紹，MOS管的特性，MOS管的驅(qū)動以及MOS管的應(yīng)用電路。
1、MOS管種類和MOS管的結(jié)構(gòu)
MOSFET管是FET的一種(另一種是JFET)，可以被制造成增強型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實際應(yīng)用的只有增強型的N溝道MOS管和增強型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。右圖是這兩種MOS管的符號。
兩種MOS管的符號
對于這兩種增強型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。
在MOS管原理圖上可以看到，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)動感性負載(如馬達)，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。下圖是MOS管的構(gòu)造圖，通常的原理圖中都畫成右圖所示的樣子。 (柵極保護用二極管有時不畫)
MOS管通常的原理圖
MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在，如右圖所示。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，在MOS管的驅(qū)動電路設(shè)計時再詳細介紹。
MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在
下頁內(nèi)容：MOS管導(dǎo)通特性和MOS開關(guān)管損失
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2、MOS管導(dǎo)通特性
導(dǎo)通的意思是作為開關(guān)，相當于開關(guān)閉合。
NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會導(dǎo)通，適合用于源極接地時的情況(低端驅(qū)動)，只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。
PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會導(dǎo)通，使用與源極接VCC時的情況(高端驅(qū)動)。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動，但由于導(dǎo)通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動中，通常還是使用NMOS。
右圖是瑞薩2SK3418的Vgs電壓和Vds電壓的關(guān)系圖。可以看出小電流時，Vgs達到4V，DS間壓降已經(jīng)很小，可以認為導(dǎo)通。
瑞薩2SK3418的Vgs電壓和Vds電壓的關(guān)系圖
3、MOS開關(guān)管損失
不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，因而在DS間流過電流的同時，兩端還會有電壓(如2SK3418特性圖所示)，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。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。
下圖是MOS管導(dǎo)通時的波形。可以看出，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。
MOS管導(dǎo)通時的波形
下頁內(nèi)容：MOS管驅(qū)動和MOS管應(yīng)用電路
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4、MOS管驅(qū)動
跟雙極性晶體管相比，一般認為使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，實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。選擇/設(shè)計MOS管驅(qū)動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。
第二注意的是，普遍用于高端驅(qū)動的NMOS，導(dǎo)通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動的MOS管導(dǎo)通時源極電壓與漏極電壓(VCC)相同，所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達驅(qū)動器都集成了電荷泵，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MOS管。
上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓，設(shè)計時當然需要有一定的余量。而且電壓越高，導(dǎo)通速度越快，導(dǎo)通電阻也越小。現(xiàn)在也有導(dǎo)通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里，但在12V汽車電子系統(tǒng)里，一般4V導(dǎo)通就夠用了。
MOS管的驅(qū)動電路及其損失，可以參考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。講述得很詳細，所以不打算多寫了。
5、MOS管應(yīng)用電路
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)電源和馬達驅(qū)動，也有照明調(diào)光。這三種應(yīng)用在各個領(lǐng)域都有詳細的介紹。
