MOS管-开关电路设计、寄生电容/二极管、开关电源注意事项

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一、MOS管基本概念与结构1MOS管概念

MOS管是一种广泛应用于电子设备中的场效应晶体管，其主要功能通过电场调节载流子(电子和空穴)的流动来控制电流的大小。

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2结构

MOS管分为两种类型，分别为NMOS管和PMOS管。如下图：

二、MOS管开关电路的设计方法1MOS管的导通条件

<1>NMOS管导通条件：当NMOS的g极电压比s极电压大于导通电压Vth时，DS之间闭合。
<2>MOS管导通条件：当PMOS的g极电压比s极电压小于导通电压Vth时，DS之间闭合。

2电路设计方法

三极管是电流控制电流的器件，MOS管是电压控制电流的器件。
MOS管典型电路设计如下：设计方法其实和三极管几乎一致，导通条件就是1中的内容。

3为什么三极管必须要加Rb电阻，MOS管G极可以不加电阻？

三极管的基极需要加电阻，主要为了限制基极电流，避免过大的电流损坏三极管。基极电阻还可以帮助稳定三极管的工作点，减少噪声，并控制开关特性。
而MOS管的栅极通常是不需要添加电阻的，因为栅极与其他部分之间是由一层绝缘层隔开的，几乎没有电流流入栅极。这使得栅极的电流非常小，通常只需要电压来控制导电通道的开启与关闭。

三、MOS管寄生电容的问题1MOS管的寄生电容

MOS管中的寄生电容是由其内部结构和电气连接自然形成的电容，这些电容对MOS管的性能(如开关速度、功耗)有着显著的影响。每两个极之间都存在一个寄生电容。

2寄生电容的危害

MOS管的寄生电容对电路性能的影响是非常重要的，尤其在高速电路和高频电路中。
主要危害有如下几个：
<1>影响开关速度
<2>增加功耗
<3>影响信号的质量
<4>带宽限制

3在栅极加一个接地电阻的作用

<1>平缓电压变化
栅极感生电容会存储一定的电荷，当栅极电压变化时，电容会充放电。如果没有电阻，栅极电容可能会快速变化(尤其在高频开关的时候)，导致过冲或震荡。加一个电阻可以通过RC时间常数来控制电压的变化率，使栅极的电压变化的更加平滑，避免电压的过渡波动。
<2>释放电压
当栅极电压下降时(比如关闭掉MOS管)，栅极电容中存储的电荷需要某种方式去释放。加上接地电阻后，可以通过电阻将电容中的电荷进行释放，如果没有这个电阻的存在，电容没有释放的通道，就会在栅极电容中长期滞留，影响开关特性。

4为什么接地电阻会选的很大，比如100K

<1>限制过快的电压变化
<2>增加RC时间常数
<3>避免过大的功耗
如果电阻过小，栅极的电流过大，会导致过多的功耗。而较大的电阻值能够限制电流，同时有效避免过多的功耗。

5举例说明

如下图，是一个NMOS管做开关，实现LED灯的通断，当存在Rgs电阻的时候，控制信号为高电平时，LED灯亮。关断开关后，LED灯立刻熄灭。当不存在这个电阻，就会出现小灯要延缓一下才熄灭的情况，就是因为寄生电容的存在，去掉电阻后，寄生电容没有放电的回路了。


说明：三极管就不会这样，因为它不存在寄生电容，并且是电流控制电流的器件，但是同样需要接地电阻是为了抗干扰。MOS管是电压控制电流的器件，由于它的够早产生了寄生电容，需要接地电阻去放电。二者的应用要注意区分。

四、MOS管的寄生二极管问题

MOS管的寄生体二极管不能够忽略，否则容易导致电流反灌的问题。

1MOS管的寄生二极管

如下图
NMOS管的寄生二极管的导通方向是从S极到D极，PMOS管的寄生二极管的导通方向是从D极到S极。

2寄生二极管不能忽略的原因

寄生二极管为MOS管提供了一条反向电流路径。当外部电路中存在反向电压时，寄生二极管可能会导通，导致电流流过这个路径。这个特性在某些应用中可能是有害的，可能会产生意外的电流波动。
在电路设计中，要将这个二极管考虑进去，假定MOS管不存在时，这里有一个二极管会怎么样。

五、NMOS管做电源开关时的注意事项

NMOS控制负载的工作电源时，需要使用自举电容或者一个比电源更高的控制信号来控制MOS栅极。

1电路分析

一般情况下MOS管的源级都会连接GND，当不直接连接GND时就会存在一些注意事项，对这个电路进行简单说明，其实也是MOS管的一些特性，当没有上电的时候，所有极都是0V，上电后栅极为5V，假设MOS管导通电压是3V，Vgs大于导通电压，MOS管导通，导通后电流从D极流向S极，因为源级不接GND，所以源级电压会逐渐升高，直到Vgs小于饱和导通电压，从而进入放大区，这个时候MOS管相当于一个电阻，无论D极电压怎么改变，MOS管也不会在进入饱和导通区，一直处于放大区。

2解决方法

<1>提高电源电压，保证Vgs永远保持饱和导通。但是电源不是凭空出现的，这就会导致预算的增加。
<2>修改电路
电路修改后，g极和s极相当于5V电的正负极，这种情况下，g永远比s高，所以会永远饱和导通。




<3>将NMOS换成PMOS
PMOS做开关时，通常S极接电源，通过这个特性就可以解决上述的问题。但是需要注意的是，大部分场景中用NMOS管的频率要比PMOS管的频率要高。

拓展1MOS管的电流可以在DS之间流通

三极管的ce之间有电流方向，但MOS没有。只要MOS的gs之间满足导通条件，MOS管DS之间的电流可以双向导通，这是因为寄生二极管的存在。
左侧为12V供电正常接法，右侧为反接，开关不按下时，发现万用表上面有负电压，这就是感生二极管产生的。

2MOS管的导通电流与Vgs的关系

MOS管的导通电流与Vgs的大小成正比，大部分MOS当Vgs大于4.5V时，进入饱和态。

3MOS管的耐压

在挑选MOS管的时候，额定耐压值要留有余量，比如电源为100V时，尽量选择额定参数150V的管子，具体管子的参数在手册里面都会有详细的标注。

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