一、MOS管介绍
1、场效应管(FET)主要包括结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(MOSFET);绝缘栅型场效应管包括增强型和耗尽型两种;增强型和耗尽型分别包括N型和P型两种。我们常用的场效应管一般是指增强型绝缘栅型场效应管,简称MOS管。
2、对于较常用的两种MOS管,N型与P型,一般N型管使用场景更为广泛。这是因为制造工艺不同,导致P型管的导通电阻大于N型管,且价格更昂贵。P型管与N型管参数也不容易做到对称,在集成电路中也是一样,因此在例如推挽这种电路中,上升时间与下降时间会存在区别。
3、上图是MOS管等效模型,由于制作工艺问题,在3个管脚之间均存在寄生电容,它影响了MOS的开关特性,具体下面讲解。
4、如上图所示,在DS之间存在一个寄生二极管,叫做体二极管,在集成电路中并不存在。当MOS管驱动感性负载时,体二极管可以作为续流二极管存在,驱动感性负载时很重要。
二、MOS管的特性
1、开关特性。MOS管是压控器件,作为开关时,NMOS只要满足VgsVgs(th)即可导通,PMOS只要满足VgsVgs(th)即可导通。但是由于电压上升斜率以及MOS管管脚间寄生电容的存在,MOS管并不能做到瞬间开启,开关速度的限制由此而来。MOS管开启的过程可等效为对寄生电容的充电过程,因此,可以通过在G极输入电阻两端并联电容以达到减小Cgs的效果来加快MOS的开关过程。
2、开关损耗。MOS的损耗主要包括开关损耗和导通损耗,导通损耗是由于导通后存在导通电阻而产生的,一般导通电阻都很小。开关损耗是在MOS由可变电阻区进入夹断区的过程中,也就是MOS处于恒流区时所产生的损耗。开关损耗远大于导通损耗。减小损耗通常有两个方法,一是缩短开关时间,二是降低开关频率。
3、由压控所导致的的开关特性。由于制作工艺的限制,NMOS的使用场景要远比PMOS广泛,因此在将更适合于高端驱动的PMOS替换成NMOS时便出现了问题。在上图所示的高端驱动中,当MOS导通时,Vs=Vd=Vdd,此时要保持MOS的导通,就需要VgVdd。在功率驱动电路中,MOS经常开关的是电源电压,或者说是系统中最高的电压,此时要保证MOS的导通就需要额外升压提供Vg。
4、在宽电压的应用场景中,栅极的控制电压很多时候是不确定的,为了保证MOS管的安全工作,很多MOS管内置了稳压管来限制栅极的控制电压。当驱动电压大于稳压管电压时,会额外增加管子的功耗。如果栅极控制电压不足时,则会导致管子开关不彻底,也会增加管子功耗。
三、MOS管的驱动
1、图腾柱驱动。上图是标准的图腾柱驱动的电路图,其实图腾柱与推挽原理是一样的,叫法不同而已。使用图腾柱驱动的目的在于给MOS管提供足够的灌电流和拉电流。
2、栅极泄放电阻。在不使用图腾柱驱动时,一般在栅极到地之间加泄放电阻,即上图中的R3。由于栅源之间寄生电容的存在,当栅极的驱动电压拉低时,MOS管并不会立即关断,这个过程不仅影响了MOS的关断速度,同时也增大了MOS的开关损耗。所以增加栅极泄放电阻用以减小寄生电容的影响。在使用图腾柱驱动时,由于PNP管的存在,该电阻可以省略。
3、当低压侧驱动高压侧MOS管时,图腾柱并不能实现功能,因此需要通过自举电路来实现。仔细分析上图,相当于采用两级图腾柱来驱动MOS管。R2、R3可以调整第一级图腾柱的开启电压;Q3、Q4作为第二级图腾柱来驱动MOS管,为其提供足够的电压与电流;R5、R6、Q5形成负反馈,通过改变第一级图腾柱的开启电压,来对MOS管的栅极电压进行控制,使其处于可控范围内,避免出现上一节所讲的宽电压应用环境下的情况。
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