MOS管开关电路分析（图文+案例）

在设计MOS管开关电路时，就要充分了解MOS管的工作原理。下面咱们来详细说明。




MOS管的工作区域


MOS管有三个工作区域：

截止区域

线性（欧姆）区域

饱和区域

当 VGS < VTH时，MOS管工作在截止区域。在该区域中，MOS管处于关断状态，因为在漏极和源极之间没有感应沟道。

对于要感应的沟道和MOS管在线性或饱和区工作，VGS > VTH。

栅极 - 漏极偏置电压 VGD将决定MOS管是处于线性区还是饱和区。在这两个区域中，MOS管处于导通状态，但差异在线性区域，沟道是连续的，漏极电流与沟道电阻成正比。进入饱和区，当 VDS > VGS – VTH时，通道夹断，即它变宽导致恒定的漏极电流。
电子开关

半导体开关是电子电路中的重要方面之一。像 BJT 或MOS管 之类的半导体器件通常作为开关操作，即它们要么处于 ON 状态，要么处于 OFF 状态。

理想的开关特性



对于像MOS管这样的半导体器件，要充当理想的开关，它必须具有以下特性：

在 ON 状态下，它可以承载的电流量不应有任何限制。

在关闭状态下，阻断电压不应有任何限制。

当器件处于 ON 状态时，应有零压降。

关态电阻应该是无限大的。

设备的运行速度没有限制。

理想的开关特性图




实用开关特性

但半导体开关并不是我们想的那么理想。在实际情况中，像MOS管这样的半导体器件具有以下特性。

在开启状态期间，功率处理能力是有限的，即有限的传导电流。关断状态期间的阻断电压也受到限制。

有限的开启和关闭时间，这限制了开关速度。最大工作频率也受到限制。

当器件开启时，将存在一个有限的导通状态电阻，从而导致正向压降。还会有一个有限的关闭状态电阻，这会导致反向漏电流。

实际的开关在开启状态、关闭状态以及过渡状态（从开启到关闭或从关闭到开启）期间都会经历断电。

实用开关特性图

MOS开关电路实例1

在下图所示的电路中，增强型 N 沟道MOS管用于切换简单的灯“ON”和“OFF”（也可以是 LED）。

栅极输入电压VGS被带到适当的正电压电平以打开器件，因此灯负载要么“打开”，（VGS= +ve），要么处于将器件“关闭”的零电压电平，（VGS = 0V）。

如果灯的电阻负载要由电感负载（如线圈、螺线管或继电器）代替，则需要与负载并联一个“续流二极管”，以保护MOS管免受任何自生反电动势的影响。



MOS开关电路

上面显示了一个非常简单的电路，用于切换电阻负载，例如灯或 LED。但是，当使用功率MOS管切换感性或容性负载时，需要某种形式的保护来防止MOS管器件受损。驱动感性负载与驱动容性负载的效果相反。

例如，没有电荷的电容是短路的，导致高“涌入”电流，当我们从感性负载上移除电压时，随着磁场崩溃，我们会产生很大的反向电压，从而导致感应绕组中的感应反电动势。

MOS开关电路功耗计算

我们假设灯的额定电压为 6v、24W 并且完全“开启”，标准MOS管的通道导通电阻 ( RDS(on) ) 值为 0.1ohms。计算MOS管开关器件的功耗。

流过灯的电流计算如下：



MOS开关电路电流计算公式

那么MOS管中消耗的功率将为：



MOS管开关电路功耗计算公式

P沟道MOS管开关电路实例

在上图我们将 N 沟道 MOS管视为开关，MOS管放置在负载和地之间。这也允许 MOS管的栅极驱动或开关信号以地为参考（低侧开关）。但在某些应用中，如果负载直接接地，我们需要使用 P 沟道增强型 MOS管。如下图所示。



P沟道MOS管开关电路

在这种情况下，MOS管开关连接在负载和正电源轨（高端开关）之间，就像我们使用 PNP 晶体管一样。

在 P 沟道器件中，漏极电流的常规流动方向为负方向，因此施加负栅源电压以将晶体管“导通”。

这是因为 P 沟道MOS管是“倒置”的，其源极端子连接到正电源+VDD。然后，当开关变为低电平时，MOS管变为“ON”，当开关变为高电平时，MOS管变为“OFF”。

P 沟道增强型MOS管开关的这种倒置连接允许我们将其与 N 沟道增强型 MOS管串联连接，以产生互补或 CMOS 开关器件，如上图所示为跨双电源。

MOS开关电路实例2

了解了MOS管的工作原理及其工作区域，就很容易知道MOS管是如何作为开关工作的。通过考虑一个简单的示例电路，将了解 MOS管作为开关的操作。



MOS开关电路图

这是一个简单的电路，其中 N 沟道增强模式MOS管将打开或关闭灯。为了将MOS管用作开关，它必须工作在截止和线性（或三极管）区域。

假设设备最初是关闭的。栅极和源极之间的电压，即 VGS适当地设为正值（从技术上讲，VGS > VTH），MOSFET 进入线性区域并且开关导通。这使灯打开。

如果输入栅极电压为 0V（或技术上 < VTH），则MOS管进入截止状态并关闭。这反过来会使灯关闭。

MOS开关电路实例3

考虑一种情况，如果你想使用微控制器对 12W LED (12V @ 1A) 进行数字控制。当你按下连接到微控制器的按钮时，LED 应打开。当你再次按下相同的按钮时，LED 应熄灭。

很明显，你不能在微控制器的帮助下直接控制 LED。这个时候你就需要一种设备来弥合微控制器和 LED 之间的差距。

该设备应从微控制器接收控制信号（通常该信号的电压在微控制器的工作电压范围内，例如 5V）并为 LED 供电，在这种情况下来自 12V 电源。

而这个设备是MOS管，上述场景的设置如下电路所示。



MOS开关电路图

当逻辑 1（假设为 5V 微控制器，逻辑 1 为 5V，逻辑 0 为 0V）提供给MOS管的栅极时，它打开并允许漏极电流流动。结果，LED 亮起。

类似地，当 MOS管的栅极为逻辑 0 时，它会关闭，进而关闭 LED。

因此，你可以通过微控制器和MOS管的组合对大功率设备进行数字控制。

MOS管开关电路需要注意的因素---MOS管的功耗

需要考虑的一个重要因素是MOS管的功耗。考虑一个漏源电阻为 0.1Ω 的MOS管。在上述情况下，即由 12V 电源驱动的 12W LED 将导致 1A 的漏极电流。

因此，MOS管消耗的功率为 P = I 2 * R = 1 * 0.1 = 0.1W。

这看起来是一个比较低的值，但如果你使用相同的 MOS管驱动电机，情况会略有不同。电机的启动电流（也称为浪涌电流）会非常高。



MOS管驱动电路图

因此，即使 RDS 为 0.1Ω，电机启动期间消耗的功率仍会非常高，这可能会导致热过载。因此，RDS将是你的应用选择 MOS管的关键参数。

此外，在驱动电机时，反电动势是设计电路时必须考虑的重要因素。

使用MOS管驱动电机的主要优点之一是输入 PWM 信号可用于平滑控制电机的速度。

MOS开关电路实例4

下图显示了一个使用 n 沟道增强型MOS管作为开关的简单电路。此处，MOS管的漏极端子 (D)通过漏极电阻RD连接到电源电压 VS  ，而其源极端子 (S) 接地。此外，它在其栅极端子 (G) 处施加输入电压Vi ，而输出 Vo从其漏极汲取。



MOS开关电路图

现在考虑施加的Vi为 0V 的情况，这意味着MOS管的栅极端子未偏置。因此，MOS管将关闭并在其截止区域中工作，在该区域中，它为电流提供了一个高阻抗路径，这使得 IDS几乎等于零。

结果，即使RD上的电压降也将变为零，因此输出电压Vo将变得几乎等于VS。接下来，考虑施加的输入电压Vi大于器件的阈值电压VT的情况。在这种情况下，MOS管将开始导通.

如果 V提供的S大于器件的夹断电压 VP（通常会如此），则MOS管开始在其饱和区工作。这进一步意味着该器件将为恒定 IDS的流动提供低电阻路径，几乎就像短路一样。结果，输出电压将被拉向低电压电平，理想情况下为零。

从上面的分析可以看出，输出电压在 VS和零之间变化，这取决于所提供的输入分别是小于还是大于 VT。因此，可以得出结论，当使MOS管s在截止和饱和工作区域之间工作时，可以使MOS管起电子开关的作用。

n 沟道耗尽型 MOS管开关电路

与 n 沟道增强型MOS管的情况类似，n 沟道耗尽型 MOS管也可用于执行开关动作，如下图所示。这种电路的行为与上面的解释几乎相同，除了事实上，对于截止，栅极电压 VG需要设为负值，并且应小于 -V。



n 沟道耗尽型 MOS管开关电路图

p 沟道增强型MOS管开关电路


下图显示了将 p 沟道增强型MOS管用作开关的情况。这里可以看出，电源电压 VS施加在其源极端子 (S) 上，栅极端子提供输入电压 Vi，而漏极端子通过电阻RD接地。



p 沟道增强型MOS管开关电路图

此外，从MOS管的漏极端子通过RD获得电路Vo的输出。在 p 型器件的情况下，传导电流将来自空穴，因此会从源极流向漏极 ISD，而不是从漏极流向源极（IDS) 与 n 型器件一样。

现在，让我们假设只有MOS管的栅极电压 VG的输入电压变低。这会导致MOS管开启并为电流提供低（几乎可以忽略不计）电阻路径。

结果，大电流流过器件，导致电阻 RD上的电压降很大。这反过来导致输出几乎等于电源电压VS 。接下来，考虑Vi变高的情况，即当Vi将大于器件的阈值电压（这些器件的 VT将为负值）。在这种情况下MOS管将关闭并为电流提供高阻抗路径。这导致几乎为零的电流导致输出端子处的电压几乎为零。

p 沟道耗尽型MOS管开关电路


与此类似， p 沟道耗尽型MOS管也可用于执行开关动作，如下图所示。该电路的工作原理与上述电路几乎相似，只是此处的截止区域为仅当 Vi = VG为正且超过器件的阈值电压时才会出现。


p 沟道耗尽型MOS管开关电路图