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MOS管开关电路设计详解

MOS管的基本知识

前文介绍了MOS管工作原理,本文接着讲MOS管开关电路设计。MOS管可以分为增强型和耗尽型,增强型又分为P沟道和N沟道,耗尽型也分P沟道和N沟道,实际应用中我们所说的NMOSPMOS都是指,N沟道和P沟道增强型的MOS管。所以我们说的MOS管都是这两种类型。对于这两种MOS管,我们比较常用的是NMOS,原因如下:

1、导通电阻小,可以做到几个毫欧的电阻,传导损耗小。

2、输入电阻非常高,能够达到上亿欧姆,几乎不计电流。

3、开关速度快,开关损耗低,特别适合做开关电源。

4、较强的电流处理能力。

MOS管的三个脚之间都是存在寄生电容的,这个不是我们能够改变的,由于制造工艺产生的,所以在电路设计的时候会有一些我们必须要考虑的因素。图一中可以看到NMOSPMOS两种管的的区别。

1NMOS和PMOS两种管的的区别
图一

MOS管的开关特性

1P沟道MOS管开关电路

PMOS的特性,Vgs小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。需要注意的是,Vgs指的是栅极G与源极S的电压,即栅极低于电源一定电压就导通,而非相对于地的电压。但是因为PMOS导通内阻比较大,所以只适用低功率的情况。大功率仍然使用N沟道MOS管。如图二所示

2N沟道MOS管开关电路

NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压大于参数手册中给定的Vgs就可以了,漏极D接电源,源极S接地。需要注意的是Vgs指的是栅极G与源极S的压差,所以当NMOS作为高端驱动时候,当漏极D与源极S导通时,漏极D与源极S电势相等,那么栅极G必须高于源极S与漏极D电压,漏极D与源极S才能继续导通如图二所示

2MOS管开关电路
图二

MOS管开关电路实列1MOS管用于控制负载)

导通条件:VgsVthR1,R2的作用是为了给G,S之间创造一个Vgs电压,不需要去关心G,D之间的电压关系(只要没有达到击穿电压)。另外S极不一定需要接地,只需要满足VgVs之间的一个电势差大于VthMOS管依然能够起到一个开关左右。

需要注意的事项:

1、IO口的最大驱动峰值电流,不同芯片的IO口驱动能力不一样。

2、了解MOS管的寄生电容,如果寄生电容值较大,导通需要的能量越大,如果IO口的输出电流峰值较小,管子导通就比较慢。

3MOS管开关电路
图三

MOS管开关电路实列2MOS管控制电源输出)

这里我们使用NPNNMOS管进行开关设计如图四,Q2输入低电平时候,三极管Q2不导通,MOSQ1Vgs=0MOSQ1不导通。当Q2输入电平为高时候,三极管导通,MOSQ1Vgs大禹VthMOSQ1导通。由于MOS管导通的

4MOS管开关电路
图四

需要注意事项:

1、注意MOSD,S之间的二极管的方向,不导通的时候,二极管方向应该与电源输出方向相反。

2、由于MOS管导通的时候存在内阻,所以MOS管输出电压小于实际输入电压。

总结以上知识,在选MOS管做开关时,首先选MOS管的Vds电压,和其Vth开启电压,再就是Id电流值是否满足系统需要,虽然在这些都满足的条件下,我们也不能忘记关于MOS管的所产生的寄生电容,当我们选择的控制IO口由于带载能力较弱,而MOS管之间存在较大的寄生电容,这个时候我们的开关就不能即使响应,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N沟道MOS管做的例子,P沟道的其实也是基本上一样用的。

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