NMOS管与PMOS管 电路符号上的区别:
箭头往里:NMOS
箭头往外:PMOS
箭头的方向代表了负电子的走向。
下图1.1中列出NMOS以及PMOS管做为电子开关的应用:
1.2 应用问题的提出与解答NMOS方式:控制信号G极为高电平时MOS管导通;低电平时,MOS管断开。
PMOS方式:控制信号G极为低电平时MOS管导通;高电平时,MOS管断开。
注意Vgs(th)电压;举例:规格书中 Vgs=5V,意思是当G极>S极 5V门阈电压(Vth)时,NMOS管才能导通。
- 对于 NMOS ,Vgs 是正电压,当 Vgs 大于门阈电压时导通。
- 对于 PMOS ,Vgs 是负电压,当 Vgs 小于门阈电压时导通。(和NMOS相反,具体看下面内容)
问题1:老容易忘记,不知道 NMOS和PMOS 哪个引脚是作为电源输入,怎么办?
记忆方法:不管是N型还是P型, 只要是MOS管的体二极管的负极(阴极),那就作为电源的输入端。
体二极管也叫寄生二极管,由于MOSFET的基本结构和制造工艺决定,它的出现是不可避免的;啥是体二极管呢?就是它↓
可以把它看做一个普通的二极管,只是寄生在MOS管当中;
而二极管具有单向导电的特性,可以想想,如果你的电源输入端接在体二极管的正极,那你这个MOS管就失去了它作为开关的意义了(电压直接通过体二极管流向了负极)。
在一些场景的使用中,需要考虑体二极管所带来的影响,如:
1、体二极管的正向压降(Vf)通常比专用二极管高,会增加MOS管的开关损耗,导致MOS管进一步发热。
2、在高频开关应用中,体二极管的反向恢复时间(trr)和反向恢复电流(Irr)会对效率和电磁干扰(EMI)产生影响。
3、体二极管的正向压降会随温度的升高而减小(半导体二极管的一个普遍特性),利用这一特性这可以用来监测MOSFET的温度。需要注意的是,温度升高也增加了反向饱和电流,这可能导致在反向偏置时的泄漏电流增加,以及在正向偏置时的总功耗增加,因为电流与压降的乘积代表了功耗。
问题2:在上图1.1中,为什么NMOS管的负载在电源端?而PMOS管的负载在接地端?如果将N管的负载放在接地端 或者 P管的负载放在电源端会有什么影响呢?
上图1.3中,NMOS的门阈电压Vgs(th)=5V,负载为蜂鸣器。Vgs要导通则必然会经过负载,而经过负载就会产生压降,假设蜂鸣器的压降为1V,那么5V+1V=6V,当G极电压输入为6V时,可以使蜂鸣器鸣响。
当然,如果所有蜂鸣器都是1V压降,那这个电路是没有如何问题的,但是,如果购买的蜂鸣器中有恰好一个阻抗较高为1.2V,也就是最低需要5V+1.2V=6.2V时,蜂鸣器才可以正常鸣响。
这就是为什么NMOS管的负载一般会设置在电源端的原因,当负载在电源端时:Vgs是直接到地的(没有其它压降);负载在电源端,无论阻抗怎么变化,对控制极(G极)没有影响,只要Vgs ≥ 5V(不超出最大额定Vgs电压),管子就可以正常导通。
一般电源端电压会相对较大一些,所以,负载的阻抗哪怕再大一点,一般也都能满足。
二、MOS管的关键参数2.1、额定电压(Vds)说完了NMOS来说一下PMOS,对于PMOS来讲,Vgs(th)是负电压,也就是说在NMOS管那里是G极>S极5V时导通,而PMOS则是S极>G极 5V导通。自然的,如果PMOS管的负载还接在电源端,则会产生压降,进而可能影响到管子的导通。所以P管的负载一般接在地信号端。
额定电压是MOS管能够承受的最大电压。选择适当的额定电压能够确保MOS管在正常工作范围内,避免过电压造成的损坏。
与之相对应的还有一个值:VDSS (有的厂家写V(BR)DSS或BVDSS),漏-源击穿电压(也叫雪崩击穿电压):
这个参数是有条件的,这个最小值30V是在Ta=25℃的值,也就是只有在Ta=25℃时,MOSFET上电压不超过30V才算是工作在安全状态。 (Ta:环境温度)
VDS和VDSS二者的区别:
看似二者相等,但二者还是有着区别的:
VDS:指漏极与源极之间的瞬时电压,属于动态电压,可以随着电路的工作状态而变化。
VDSS:是一个静态额定值,表示在MOSFET关断(非导通)状态时,漏极和源极之间能够安全承受的最大电压。
同时VDSS有着正温度系数特性, 也就是说温度升高时VDSS的值可能增加;但是,如果电源用在寒冷的地方,环境温度低到-40℃甚至更低的话,它的耐压值反而会减小。所以在MOSFET使用中,我们都会保留一定的VDS的电压裕量。
VDSS 和 漏-源导通电阻 Rds(on) 之间存在正相关的关系,因此,在增加 VDSS 的余量也会增加 Rds(on)。
2.2、阈值电压(VGS(th))VGS(th)又被称之为门阈电压 或 开启电压,指MOS管导通所需的门源电压,是MOS管在导通和截止状态之间的临界电压。
NMOS导通条件:
一般栅极(G极)输入电压在4~10V左右可以使MOS管完全导通;
此外,还需要注意绝对最大参数:
这代表了 栅极(G极) 与 源极(S极) 之间所能施加的最大电压值。
最大电流是MOS管能够承受的最大电流值。在选型时,需要根据实际应用中电流的最大值来选择合适的MOS管,以确保其能够稳定工作并不易受到过载的影响。 如果流过的电流超过该值,会引起MOS管击穿的风险。
另外它下方的 IDM 参数表示的是漏源之间可承受的单次脉冲电流强度,如果超过该值,会引起击穿的风险。此参数会随 结温Tj 的上升而有所减额。
一般降额50%以上使用,避免工作温度过高。(举例:电路需流过最大3A的电流,则选择Id为6A的mos管)。
2.4、跨导(gm)有的厂家在数据手册中写gfs,有的是写gm,但本质相同,只是在某些数据表或文献中使用不同的命名,统称都是跨导。
在VDS为某一固定数值的条件下,漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导。
它们的单位通常是西门子(S),或者更常见的毫西门子(mS)。
gm定义为在静态工作点上,漏极电流随栅源电压变化的斜率,即:
开关速度是指MOS管从导通到截止(或截止到导通)所需的时间。
规格书中通常需要查看以下几个关键参数:
Qg:总输入电荷(Total Gate Charge),它表示为给定的控制电压下,从MOSFET的源极和漏极之间传输到栅极的总电荷量。Qg 的大小直接影响MOSFET的响应速度,因为更大的Qg意味着更多的电荷需要被注入或移除,从而导致更长的开关时间。一般来说,Qg 越小,MOSFET 的开关速度越快。
Qgs:栅-源电荷(Gate-Source Charge),Qgs是栅极和源极之间的电容在栅极电压从0V上升到特定驱动电压时累积的电荷量。这部分电荷主要用于克服MOSFET内部的栅源电容,帮助建立起控制沟道的电场。
Qgd:栅-漏电荷(Gate-Drain Charge),表示在栅极和漏极之间的电荷量。Qgd 也是影响MOSFET开关速度的重要因素,特别是在MOSFET从导通到截止时,Qgd 的快速移除对于减少开关时间至关重要。
td(on):导通延迟时间(Turn-On Delay Time ),这是指从控制端信号变化到MOSFET开始导通的时间。这个时间越短,开关速度越快。
td(off):截止延迟时间(Turn-Off Delay Time ),这是指从控制端信号变化到MOSFET完全截止的时间。截止延迟时间越短,开关速度越快。
tr:上升时间(Rise Time),这是指从MOSFET开始导通到达到特定电压百分比(例如从10%上升到90%)所需的时间。通常用 tr 表示。
tf:下降时间(Fall Time),这是指从MOSFET开始截止到电压下降到特定电压百分比所需的时间。通常用 tf 表示。
为了最小化切换时间,设计时需要关注以下几个方面:
这些参数共同构成了MOSFET的总切换时间。并且在高速开关应用中,缩短切换时间是非常重要的,因为它直接影响到开关损耗和效率。MOSFET的切换时间越短,其在开关过程中消耗的能量就越少,从而可以实现更高的开关频率和效率。
2.6、导通电阻(Rds(on))导通电阻Rds(on)是指当MOS管处于完全导通状态时,从漏极(D)到源极(S)之间的电阻。导通电阻越小则MOS管的导通能力越强,能够更好地满足高功率负载需求。
相反的,导通电阻大则会相应造成大的MOS导通损耗(热损耗)。因此,在选型时应尽量选择导通电阻较小的MOS管。(注:相同型号管子并联也可降低导通电阻)。
温度特性描述了MOSFET的性能会随着温度的变化而变化。在选型时,需要考虑MOS管在实际应用中的工作温度范围,并选择具有良好温度特性的MOS管,以确保其在不同温度下的稳定性。
温度特性变化这主要体现在以下几个方面:
1. 阈值电压(Vth)变化:
2. 饱和电流(Idsat):
3. 导通电阻(Rds(on)):
4. 栅极至源极电容(Cgs):
5.栅极至漏极电容(Cgd):
6. 热稳定性:
7. 热阻:
8.雪崩击穿电压:
9. 寄生二极管正向压降:
封装类型是指MOS管的外观尺寸和结构。封装类型对MOS管的安装和散热等方面有影响,不同的封装类型适用于不同的应用场景。在选型时,需要根据实际应用需求选择合适的封装类型。
不同厂家的产品可靠性及质量都不相同,选择可靠的厂商是保证产品能够稳定工作的重要因素;以下是例举的一些知名的MOSFET制造厂商:
MOSFET在工作时会产生多种类型的损耗,这些损耗主要来源于MOS管在不同状态下的行为特征。以下是MOS管在开关电源和其他应用中的主要工作损耗类型:
3.1 主要工作损耗1. 导通损耗(Pon):由导通电阻引起的导通损耗计算公式如下:
1)MOS管处于一直导通状态的:
当MOS管处于完全导通状态时,会有电流流过其漏极和源极。这个电流在MOS管的导通电阻(Rds(on))上会产生电压降,从而导致功耗。导通损耗可以表示为:
举例:MOS管DS极流过电流为5A,导通电阻Rds(on)为32mΩ,计算:
导通电阻R=32mΩ=0.032Ω
2)MOS管周期性地在导通和截止之间切换的:
在开关电源等应用中,MOS管不是一直保持在导通状态,而是周期性地在导通和截止之间切换。实际的导通损耗需要考虑到MOS管在一个开关周期内导通状态所占的比例,即占空比(Duty Cycle),那么导通损耗的计算公式变为:
或者简化为:
3)流过MOS管电流波形不是纯直流而是脉冲或交流时:
在某些情况下,特别是当电流波形不是纯直流而是脉冲或交流时,可能需要使用电流的有效值而不是平均值来更准确地计算损耗。损耗计算公式变为:
如电流为交流正弦10A,那么正弦电流有效值则为:10A/1.414=7.07A;以7.07A带入计算。
MOS管即使在关断状态下,MOS管也会存在少量漏电流Idss,这会导致静态功耗。这种漏电流在高电压下通过MOS管的寄生二极管,也会造成一定的功率损耗。截止损耗可以表示为:
注:Vds(off) 并不是说MOS管在截止状态下本身产生了电压,而是指在截止状态下,如果漏极和源极之间存在电压差,那么这个电压差将与微小的漏电流一起产生功率损耗。
另外,在大多数情况下,MOS管的截止损耗通常非常小,只有在特定的应用场景下才需要考虑。例如:在电池供电的电路中,即使很小的漏电流也可能导致电池电量的显著损失。此外,在一些需要长时间保持关闭状态的电路中,如某些电子开关或待机模式的电路,也需要关注截止损耗。
开关损耗发生在MOS管从导通状态切换到截止状态,或反之亦然的过程中。在这个过渡阶段,MOS管同时承受电压和电流,因此会消耗能量。开关损耗可以分为两部分:开启损耗和关断损耗,它们可以表示为(简化模型):
系数0.5是因为将MOS管导通曲线看成是近似线性,折算成面积功率,系数就是0.5
影响开关损耗的其他因素:
在MOS管的开关过程中,栅极和漏极之间存在一个寄生电容,通常称为米勒电容(Cgd)。当MOS管开始导通时,这个电容会被充电,直到栅源电压(Vgs)达到阈值电压(Vth),此时MOS管完全导通。在这个过程中,栅极(G极)电压会暂时停滞在一个平台上,这就是所谓的米勒平台。
寄生电容的叫法:
- Cgd(Crss): 栅极至漏极电容、米勒电容、反向传输电容、反馈电容;
- Cgs:栅极至源极电容、输入电容(某些情况下可被视为输入电容);
- Cds:源极至漏极电容、输出电容(某些描述中被称为输出电容)、结电容;
- Ciss:输入电容,Ciss=Cgd+Cgs;
- Coss:输出电容,Coss=Cgd+Cds;
由于米勒电容的存在,栅极电压的上升速度减慢,从而延长了开关时间。在这段时间内,MOS管处于部分导通状态,即在高阻抗和低阻抗状态之间。此时,电流可以通过MOS管,但由于MOS管并未完全导通,它仍然具有较高的导通电阻(Rds(on)),这会导致功率损耗。
米勒效应是什么?MOS管能避免米勒效应吗?-电子发烧友网
MOS管米勒效应详解_mos的米勒电容-CSDN博客
详解MOS管的米勒效应、开关损耗、导通损耗、续流损耗-电子发烧友网
米勒平台损耗——知乎
栅极驱动损耗(Pgs)是指在驱动MOSFET的栅极进行开关操作时所消耗的能量。栅极驱动损耗是由栅极电荷(Qg)的充放电过程中电流通过栅极驱动电路的电阻而产生的。
栅极驱动损耗可以通过下面的公式来计算:
影响栅极驱动损耗的因素:
寄生二极管正向导通损耗(Pd_f)指的是当MOSFET处于关断状态,但由于电路拓扑的原因,二极管被正向偏置而导通时,电流流过二极管所产生的功率损耗。这种损耗通常发生在以下两种情况:
续流路径: 在开关电源或电机驱动等应用中,当MOSFET关断时,寄生二极管可以为电路中的电感提供一个续流路径。在电感电流通过二极管时,由于二极管的正向压降(Vf),会在二极管上产生损耗。
整流作用: 在某些拓扑结构中,如半桥或全桥转换器,当一个MOSFET关断时,另一个MOSFET的体二极管可能会被用来整流回路中的电流,这同样会导致正向导通损耗。
正向导通损耗可以通过下面的公式计算:
当MOSFET用作开关器件时,尤其是在高速开关电源中,体二极管的反向恢复特性会对电路的性能产生显著影响,特别是产生所谓的反向恢复损耗(Reverse Recovery Losses)。
1)反向恢复过程:
当体二极管正向导通后突然反向偏置时,不会立即阻止电流流动,因为二极管内部存储了一些电荷。在反向偏置初期,体二极管会继续导通一段时间,形成反向恢复电流。这个过程称为反向恢复过程,它包括两个阶段:
2)反向恢复损耗:
反向恢复损耗发生在二极管从正向导通状态转换到反向阻断状态的过程中。在反向恢复期间,二极管同时承受反向电压和反向电流,这导致能量在二极管中以热的形式耗散,即产生了损耗。反向恢复损耗可以用下面的公式计算:
3)存在的影响:
反向恢复损耗会降低开关电源的效率,增加发热,有时还会引起EMI(电磁干扰)问题。在高频应用中,反向恢复损耗可能成为总损耗中的主要部分,因此在设计中需要特别注意。
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