【灵魂拷问】开关电源为什么偏偏选择增强型N沟道MOSFET ...

显示全部楼层 · 2024-11-5 09:44:18

开关电源的开关管为什么选MOSFET，而非三极管

增强型N沟道MOSFET场效应管，是众多场效应管的一种。就是一种在开关电源或者控制电路最多使用的MOSFET，他的名称就是：增强型MOSFET（N沟道），其图标如图2.37所示。

图2.37增强型MOSFET图标

实际上，所有的模拟电路的书籍，在写到“场效应管”的时候，都会从JFET开始讲起，然后讲耗尽型场效应管，然后再讲增强型场效应管。还会讲一些发展历史。重点分析的也是“小信号”放大模型。

但是到实际的工作岗位之后发现：可能十几年工作经验的硬件工程师，电路设计中只使用过“增强型MOSFET（N沟道）”。这是为什么呢？

原因有以下几点：

1）为什么选择MOSFET，而非JFET作为开关电源开关管？

JFET（结型场效应晶体管）和MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是两种常见的场效应晶体管类型。它们在一些方面相似，但也有一些重要的区别。

①结构：JFET和MOSFET在结构上有所不同。JFET有一个由P型或N型半导体材料形成的单个PN结，而MOSFET则由一个嵌入在绝缘层上的金属栅极和两个或多个掺杂的半导体区域组成。

②构造材料：JFET通常使用硅(Si)或砷化镓(GaAs)等半导体材料制造，而MOSFET主要使用硅(Si)作为基础材料。

③控制方式：JFET的导电性能通过调节沟道的厚度来控制，而MOSFET则通过调节栅极电压来控制导电性能。MOSFET的控制电压在正常操作条件下非常低，因此具有较低的功耗。

④极性：JFET可以是N型或P型，而MOSFET可以是N型或P型，因此可以具有不同的极性组合。

⑤输入电阻：JFET的输入电阻非常高，通常在几百至几千兆欧姆的范围内，这意味着输入电流非常小。相比之下，MOSFET的输入电阻也很高，但在高频应用中可能会出现一些变化。

⑥噪声性能：由于JFET具有较高的输入电阻，因此在低频应用中表现出较低的噪声性能。MOSFET在某些方面（例如，在特定电压下）可能表现出更好的噪声特性。

⑦温度稳定性：JFET在高温下的温度稳定性较好，而MOSFET在高温下可能表现出一些变化。

所以，根据二者特性来说。JFET常用于低噪声放大器、开关和模拟开关等应用。MOSFET则广泛应用于数字电路、功率放大器、集成电路和开关电源等领域。

数字电路比例越来越多，模拟电路的设计比例越来越少。JFET的主要应用场景是低噪声放大电路。

例如一些“传感器的前置放大电路”中就会选用JFET。

当需要高输入阻抗、低噪声等特定场景的放大电路设计的时候需要，选用JFET。现在很多场景，也可以直接选择低噪声运算放大器去设计电路。随着运放的高速发展，运放电路完成的放大电路在噪声特性、稳定度、温度特性都比JFET等分立器件去搭建一个电路要好。分立器件搭建的放大电路如图2.38所示。

图 2.38分立器件搭建的放大电路图

MOSFET相对于JFET在开关电源应用中有一些优势，这些优势使其成为更常见的选择：

①低导通电阻：MOSFET具有较低的导通电阻，即在导通状态下的电阻非常小。这意味着MOSFET可以在低电压下实现较低的功耗和能量损失。

②高开关速度：MOSFET具有快速的开关速度，能够迅速地从导通状态切换到截止状态和反之。这使得MOSFET适用于高频开关应用，能够处理高频率的电源开关操作。

③较高的工作电压：MOSFET通常可以承受更高的工作电压，这使其在高电压应用中更具优势。对于开关电源而言，它们通常需要处理较高的电压范围。

④较低的温度依赖性：MOSFET的电流特性对温度的依赖性相对较小，具有较好的温度稳定性。这使得MOSFET在高温环境下能够提供更可靠的性能。

⑤集成度和可靠性：由于MOSFET广泛用于集成电路中，因此在大规模集成电路中使用MOSFET可以实现高度集成的功能。此外，MOSFET的制造工艺已经非常成熟，并且具有较高的可靠性和稳定性。

综上所述，MOSFET在开关电源应用中的低导通电阻、高开关速度、高工作电压能力、较低的温度依赖性以及集成度和可靠性等方面的优势，使其成为较为理想的选择。然而，具体选择还要根据应用的要求和性能需求来确定。

2）为什么选择增强型，而非耗尽型MOSFET作为开关电源开关管？

数字电路都是单电源工作，即：供电范围是0~VCC。也就是说在整个电路板上面都是大于0V的信号。

我们一般使用单片机或者控制器来控制MOSFET。因为单片机或者FPGA等芯片的输出管脚都是正电压。但是MOSFET分为耗尽型、增强型。耗尽型MOSFET是用负压~0V控制的。所以实际选型的时候，我们很少选择。耗尽型MOSFET的曲线如图2.39所示。

图2.39耗尽型MOSFET的曲线

上图中，需要到-6V才能把关断为0。如果用这个来控制电流通断的话，就需要VGS达到负压，对于当前电路来说，整板都以数字电路为主，没有负电源的需求。如果为了控制MOSFET专门提供一个负电压电源，对于电路设计的实现来说，非常不方便。所以耗尽型MOSFET的应用场景更少。

大多数的应用场景是用来控制一个电流通路的开关，所以大家应该深入分析这种应用场景。

电流通路开关控制如图2.40所示。

图 2.40开关控制示意图

对于开关电源来说，MOSFET的主要功能也就是一个“开关”。利用开关、电容、电感、二极管组成不同的拓扑网络，实现各种开关形态，实现我们所期望的升压、降压、升降压等电路。

当然，说到这里，我们也不能只懂增强型MOSFET，耗尽型MOSFET和JFET的基本概念，也是需要懂的，不然你无法理解“增强型MOSFET”是怎么来的。正是根据我们的应用场景需求，发明家不断的优化半导体结构，优化出能够适应我们需求的场效应管。让我们能够选择的场效应管，更接近于一个“正电压可以控制的低阻抗开关管”。

3）为什么选择N型MOSFET作为开关电源开关管，而非P型？

在大多数情况下，N型MOSFET通常被优先选择作为开关电源的开关管，而不是P型MOSFET，原因如下：

⑥较低的导通电阻：N型MOSFET通常具有较低的导通电阻，因此能够在导通状态下提供更低的功耗和能量损失。这对于高效的开关电源非常重要。

⑦高电流承受能力：N型MOSFET通常具有更高的电流承受能力，这使得它们适用于高功率的开关电源应用。P型MOSFET的电流承受能力相对较低。

⑧兼容性：在大多数情况下，电源系统中的控制电路通常使用正电压，而不是负电压。因此，N型MOSFET更适合与这些控制电路兼容，因为它们在正电压下工作。

⑨集成电路兼容性：N型MOSFET在集成电路中的使用更为广泛，具有更高的集成度和可靠性。这使得它们在大规模集成电路中更容易实现。

需要注意的是，对于特定的应用和电源系统要求，P型MOSFET也可以作为开关管使用。特定应用对P型MOSFET的特性有更好的匹配，那么P型MOSFET可能会成为更合适的选择。因此，在选择开关电源的开关管时，应根据具体应用的要求和设计约束进行评估和选择。

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