在設(shè)計(jì)MOS管開關(guān)電路時(shí)，就要充分了解MOS管的工作原理。下面咱們來(lái)詳細(xì)說(shuō)明。
MOS管的工作區(qū)域
MOS管有三個(gè)工作區(qū)域：
截止區(qū)域
線性（歐姆）區(qū)域
飽和區(qū)域
當(dāng) VGS < VTH時(shí)，MOS管工作在截止區(qū)域。在該區(qū)域中，MOS管處于關(guān)斷狀態(tài)，因?yàn)樵诼O和源極之間沒(méi)有感應(yīng)溝道。
對(duì)于要感應(yīng)的溝道和MOS管在線性或飽和區(qū)工作，VGS > VTH。
柵極 - 漏極偏置電壓 VGD將決定MOS管是處于線性區(qū)還是飽和區(qū)。在這兩個(gè)區(qū)域中，MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，但差異在線性區(qū)域，溝道是連續(xù)的，漏極電流與溝道電阻成正比。進(jìn)入飽和區(qū)，當(dāng) VDS > VGS – VTH時(shí)，通道夾斷，即它變寬導(dǎo)致恒定的漏極電流。
電子開關(guān)
半導(dǎo)體開關(guān)是電子電路中的重要方面之一。像 BJT 或MOS管 之類的半導(dǎo)體器件通常作為開關(guān)操作，即它們要么處于 ON 狀態(tài)，要么處于 OFF 狀態(tài)。
理想的開關(guān)特性
對(duì)于像MOS管這樣的半導(dǎo)體器件，要充當(dāng)理想的開關(guān)，它必須具有以下特性：
在 ON 狀態(tài)下，它可以承載的電流量不應(yīng)有任何限制。
在關(guān)閉狀態(tài)下，阻斷電壓不應(yīng)有任何限制。
當(dāng)器件處于 ON 狀態(tài)時(shí)，應(yīng)有零壓降。
關(guān)態(tài)電阻應(yīng)該是無(wú)限大的。
設(shè)備的運(yùn)行速度沒(méi)有限制。
理想的開關(guān)特性圖
實(shí)用開關(guān)特性
但半導(dǎo)體開關(guān)并不是我們想的那么理想。在實(shí)際情況中，像MOS管這樣的半導(dǎo)體器件具有以下特性。
在開啟狀態(tài)期間，功率處理能力是有限的，即有限的傳導(dǎo)電流。關(guān)斷狀態(tài)期間的阻斷電壓也受到限制。
有限的開啟和關(guān)閉時(shí)間，這限制了開關(guān)速度。最大工作頻率也受到限制。
當(dāng)器件開啟時(shí)，將存在一個(gè)有限的導(dǎo)通狀態(tài)電阻，從而導(dǎo)致正向壓降。還會(huì)有一個(gè)有限的關(guān)閉狀態(tài)電阻，這會(huì)導(dǎo)致反向漏電流。
實(shí)際的開關(guān)在開啟狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)以及過(guò)渡狀態(tài)（從開啟到關(guān)閉或從關(guān)閉到開啟）期間都會(huì)經(jīng)歷斷電。
實(shí)用開關(guān)特性圖
MOS開關(guān)電路實(shí)例1
在下圖所示的電路中，增強(qiáng)型 N 溝道MOS管用于切換簡(jiǎn)單的燈“ON”和“OFF”（也可以是 LED）。
柵極輸入電壓VGS被帶到適當(dāng)?shù)恼妷弘娖揭源蜷_器件，因此燈負(fù)載要么“打開”，（VGS= +ve），要么處于將器件“關(guān)閉”的零電壓電平，（VGS = 0V）。
如果燈的電阻負(fù)載要由電感負(fù)載（如線圈、螺線管或繼電器）代替，則需要與負(fù)載并聯(lián)一個(gè)“續(xù)流二極管”，以保護(hù)MOS管免受任何自生反電動(dòng)勢(shì)的影響。
MOS開關(guān)電路
上面顯示了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的電路，用于切換電阻負(fù)載，例如燈或 LED。但是，當(dāng)使用功率MOS管切換感性或容性負(fù)載時(shí)，需要某種形式的保護(hù)來(lái)防止MOS管器件受損。驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載與驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載的效果相反。
例如，沒(méi)有電荷的電容是短路的，導(dǎo)致高“涌入”電流，當(dāng)我們從感性負(fù)載上移除電壓時(shí)，隨著磁場(chǎng)崩潰，我們會(huì)產(chǎn)生很大的反向電壓，從而導(dǎo)致感應(yīng)繞組中的感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)。
MOS開關(guān)電路功耗計(jì)算
我們假設(shè)燈的額定電壓為 6v、24W 并且完全“開啟”，標(biāo)準(zhǔn)MOS管的通道導(dǎo)通電阻 ( RDS(on) ) 值為 0.1ohms。計(jì)算MOS管開關(guān)器件的功耗。
流過(guò)燈的電流計(jì)算如下：
MOS開關(guān)電路電流計(jì)算公式
那么MOS管中消耗的功率將為：
MOS管開關(guān)電路功耗計(jì)算公式
P溝道MOS管開關(guān)電路實(shí)例
在上圖我們將 N 溝道 MOS管視為開關(guān)，MOS管放置在負(fù)載和地之間。這也允許 MOS管的柵極驅(qū)動(dòng)或開關(guān)信號(hào)以地為參考（低側(cè)開關(guān)）。但在某些應(yīng)用中，如果負(fù)載直接接地，我們需要使用 P 溝道增強(qiáng)型 MOS管。如下圖所示。
P溝道MOS管開關(guān)電路
在這種情況下，MOS管開關(guān)連接在負(fù)載和正電源軌（高端開關(guān)）之間，就像我們使用 PNP 晶體管一樣。
在 P 溝道器件中，漏極電流的常規(guī)流動(dòng)方向?yàn)樨?fù)方向，因此施加負(fù)柵源電壓以將晶體管“導(dǎo)通”。
這是因?yàn)?P 溝道MOS管是“倒置”的，其源極端子連接到正電源+VDD。然后，當(dāng)開關(guān)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，MOS管變?yōu)?ldquo;ON”，當(dāng)開關(guān)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，MOS管變?yōu)?ldquo;OFF”。
P 溝道增強(qiáng)型MOS管開關(guān)的這種倒置連接允許我們將其與 N 溝道增強(qiáng)型 MOS管串聯(lián)連接，以產(chǎn)生互補(bǔ)或 CMOS 開關(guān)器件，如上圖所示為跨雙電源。
MOS開關(guān)電路實(shí)例2
了解了MOS管的工作原理及其工作區(qū)域，就很容易知道MOS管是如何作為開關(guān)工作的。通過(guò)考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的示例電路，將了解 MOS管作為開關(guān)的操作。
MOS開關(guān)電路圖
這是一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，其中 N 溝道增強(qiáng)模式MOS管將打開或關(guān)閉燈。為了將MOS管用作開關(guān)，它必須工作在截止和線性（或三極管）區(qū)域。
假設(shè)設(shè)備最初是關(guān)閉的。柵極和源極之間的電壓，即 VGS適當(dāng)?shù)卦O(shè)為正值（從技術(shù)上講，VGS > VTH），MOSFET 進(jìn)入線性區(qū)域并且開關(guān)導(dǎo)通。這使燈打開。
如果輸入柵極電壓為 0V（或技術(shù)上 < VTH），則MOS管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)并關(guān)閉。這反過(guò)來(lái)會(huì)使燈關(guān)閉。
MOS開關(guān)電路實(shí)例3
考慮一種情況，如果你想使用微控制器對(duì) 12W LED (12V @ 1A) 進(jìn)行數(shù)字控制。當(dāng)你按下連接到微控制器的按鈕時(shí)，LED 應(yīng)打開。當(dāng)你再次按下相同的按鈕時(shí)，LED 應(yīng)熄滅。
很明顯，你不能在微控制器的幫助下直接控制 LED。這個(gè)時(shí)候你就需要一種設(shè)備來(lái)彌合微控制器和 LED 之間的差距。
該設(shè)備應(yīng)從微控制器接收控制信號(hào)（通常該信號(hào)的電壓在微控制器的工作電壓范圍內(nèi)，例如 5V）并為 LED 供電，在這種情況下來(lái)自 12V 電源。
而這個(gè)設(shè)備是MOS管，上述場(chǎng)景的設(shè)置如下電路所示。
MOS開關(guān)電路圖
當(dāng)邏輯 1（假設(shè)為 5V 微控制器，邏輯 1 為 5V，邏輯 0 為 0V）提供給MOS管的柵極時(shí)，它打開并允許漏極電流流動(dòng)。結(jié)果，LED 亮起。
類似地，當(dāng) MOS管的柵極為邏輯 0 時(shí)，它會(huì)關(guān)閉，進(jìn)而關(guān)閉 LED。
因此，你可以通過(guò)微控制器和MOS管的組合對(duì)大功率設(shè)備進(jìn)行數(shù)字控制。
MOS管開關(guān)電路需要注意的因素---MOS管的功耗
需要考慮的一個(gè)重要因素是MOS管的功耗。考慮一個(gè)漏源電阻為 0.1Ω 的MOS管。在上述情況下，即由 12V 電源驅(qū)動(dòng)的 12W LED 將導(dǎo)致 1A 的漏極電流。
因此，MOS管消耗的功率為 P = I 2 * R = 1 * 0.1 = 0.1W。
這看起來(lái)是一個(gè)比較低的值，但如果你使用相同的 MOS管驅(qū)動(dòng)電機(jī)，情況會(huì)略有不同。電機(jī)的啟動(dòng)電流（也稱為浪涌電流）會(huì)非常高。
MOS管驅(qū)動(dòng)電路圖
因此，即使 RDS 為 0.1Ω，電機(jī)啟動(dòng)期間消耗的功率仍會(huì)非常高，這可能會(huì)導(dǎo)致熱過(guò)載。因此，RDS將是你的應(yīng)用選擇 MOS管的關(guān)鍵參數(shù)。
此外，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)是設(shè)計(jì)電路時(shí)必須考慮的重要因素。
使用MOS管驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是輸入 PWM 信號(hào)可用于平滑控制電機(jī)的速度。
MOS開關(guān)電路實(shí)例4
下圖顯示了一個(gè)使用 n 溝道增強(qiáng)型MOS管作為開關(guān)的簡(jiǎn)單電路。此處，MOS管的漏極端子 (D)通過(guò)漏極電阻RD連接到電源電壓 VS ，而其源極端子 (S) 接地。此外，它在其柵極端子 (G) 處施加輸入電壓Vi ，而輸出 Vo從其漏極汲取。
MOS開關(guān)電路圖
現(xiàn)在考慮施加的Vi為 0V 的情況，這意味著MOS管的柵極端子未偏置。因此，MOS管將關(guān)閉并在其截止區(qū)域中工作，在該區(qū)域中，它為電流提供了一個(gè)高阻抗路徑，這使得 IDS幾乎等于零。
結(jié)果，即使RD上的電壓降也將變?yōu)榱?，因此輸出電壓Vo將變得幾乎等于VS。接下來(lái)，考慮施加的輸入電壓Vi大于器件的閾值電壓VT的情況。在這種情況下，MOS管將開始導(dǎo)通.
如果 V提供的S大于器件的夾斷電壓 VP（通常會(huì)如此），則MOS管開始在其飽和區(qū)工作。這進(jìn)一步意味著該器件將為恒定 IDS的流動(dòng)提供低電阻路徑，幾乎就像短路一樣。結(jié)果，輸出電壓將被拉向低電壓電平，理想情況下為零。
從上面的分析可以看出，輸出電壓在 VS和零之間變化，這取決于所提供的輸入分別是小于還是大于 VT。因此，可以得出結(jié)論，當(dāng)使MOS管s在截止和飽和工作區(qū)域之間工作時(shí)，可以使MOS管起電子開關(guān)的作用。
n 溝道耗盡型 MOS管開關(guān)電路
與 n 溝道增強(qiáng)型MOS管的情況類似，n 溝道耗盡型 MOS管也可用于執(zhí)行開關(guān)動(dòng)作，如下圖所示。這種電路的行為與上面的解釋幾乎相同，除了事實(shí)上，對(duì)于截止，柵極電壓 VG需要設(shè)為負(fù)值，并且應(yīng)小于 -V。
n 溝道耗盡型 MOS管開關(guān)電路圖
p 溝道增強(qiáng)型MOS管開關(guān)電路
下圖顯示了將 p 溝道增強(qiáng)型MOS管用作開關(guān)的情況。這里可以看出，電源電壓 VS施加在其源極端子 (S) 上，柵極端子提供輸入電壓 Vi，而漏極端子通過(guò)電阻RD接地。
p 溝道增強(qiáng)型MOS管開關(guān)電路圖
此外，從MOS管的漏極端子通過(guò)RD獲得電路Vo的輸出。在 p 型器件的情況下，傳導(dǎo)電流將來(lái)自空穴，因此會(huì)從源極流向漏極 ISD，而不是從漏極流向源極（IDS) 與 n 型器件一樣。
現(xiàn)在，讓我們假設(shè)只有MOS管的柵極電壓 VG的輸入電壓變低。這會(huì)導(dǎo)致MOS管開啟并為電流提供低（幾乎可以忽略不計(jì)）電阻路徑。
結(jié)果，大電流流過(guò)器件，導(dǎo)致電阻 RD上的電壓降很大。這反過(guò)來(lái)導(dǎo)致輸出幾乎等于電源電壓VS 。接下來(lái)，考慮Vi變高的情況，即當(dāng)Vi將大于器件的閾值電壓（這些器件的 VT將為負(fù)值）。在這種情況下MOS管將關(guān)閉并為電流提供高阻抗路徑。這導(dǎo)致幾乎為零的電流導(dǎo)致輸出端子處的電壓幾乎為零。
p 溝道耗盡型MOS管開關(guān)電路
與此類似， p 溝道耗盡型MOS管也可用于執(zhí)行開關(guān)動(dòng)作，如下圖所示。該電路的工作原理與上述電路幾乎相似，只是此處的截止區(qū)域?yàn)閮H當(dāng) Vi = VG為正且超過(guò)器件的閾值電壓時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。
p 溝道耗盡型MOS管開關(guān)電路圖
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