一文了解mos管开关电路分析-凯发k8一触即发

mos管的工作区域从之前的文章中可以知道，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”，（v gs = ve），要么处于将器件“关闭”的零电压电平，（v gs = 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 ( r ds(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：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 v dd。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 v gs适当地设为正值（从技术上讲，v gs > v th），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 < v th），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 v s ，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r d上的电压降也将变为零，因此输出电压v o将变得几乎等于v s。接下来，考虑施加的输入电压v i大于器件的阈值电压v t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 v t。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 v i，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v o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v s。接下来，考虑v i变高的情况，即当vi 将大于器件的阈值电压（这些器件的 v t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管开关电路图以上就是关于mos管开关电路的一些电路图，如果有什么不到位的地方或者补充的地方，请大家多多指教。