基础电路课程-MOS管

 

注意：本文章需要配合无际单片机编程-硬件基础2.0教程视频学习。

注意：本文章需要配合无际单片机编程-硬件基础2.0教程视频学习。

 

MOS管，在实际产品开发中，比较常见。 

课程内容目录：

1.MOS管理论

2.MOS管选型

3.产品应用

一、  MOS管理论

课程内容包括： MOS管的定义&分类、构造、工作原理、寄生电容，寄生二极管、参数，规格书等。

 

1.  MOS管的定义和分类；

定义:

①MOS管，全称是 金属(Metal)-氧化物(Oxide)-半导体(Semiconductor )-场效应(Field-Effect)晶体管(Transistor)，缩写：MOSFET。简称MOS管；也叫作绝缘栅型场效应管。

分类:

MOS管有增强型和耗尽型两种，在电子产品开发中，我们主要使用的是增强型的，本节课介绍的是增强型的。

增强型又分为N沟道增强型 和P沟道增强型；  

 

2.  MOS管的构造 & 原理图符号

下面介绍一下两种不同的MOS管的构造；

①NMOS 管的构造 和原理图符号

我们先看一下NMOS 的构造；

NMOS的构造是在一块掺杂浓度较低的P型半导体衬底上面，用光刻、扩展的工艺制作2个掺杂浓度高的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作为源极S和漏极D,在漏极和源极之间的P型半导体的表面先覆盖一层很薄的绝缘层膜（二氧化硅），再在绝缘层膜上覆盖一层金属铝，并引出一个电极，作为栅极G. 这样就构成了一NMOS管。

②PMOS 管的构造和原理图符号

采用同样的方法，用一块掺杂浓度较低的N型半导体作为衬底，制作2个高掺杂的P+区，及其他和NMOS工艺一样的方法，引出栅极G 源极S 漏极D;

 

3.  MOS管的工作原理 

①NMOS管工作原理透析

工作原理分析：

• 如下图，漏极D和源极S之间有一个背靠背的PN结，所以漏极D和源极S之间不管加载怎么一个电压，S和D 之间总有一个PN结处于反向偏置状态，S和D之间处于截止状态；

• 如果在栅极和源极之间加一个正向的电压VGS；  栅极G和P型半导体之间的材质是绝缘物质SiQ2 ,按照电容的结构（两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质，就构成了电容器），绝缘层两端就会形成一个电容。
• VGS电压对这个电容充电（并形成一个电场），受栅极正电压的吸引，在这个电容的下侧，两个N+之间，形成一个N型半导体（多子：自由电子）的沟道。

• 当VGS的电压大于VGS(th)的时候，N沟道开始导通，打通了源极和漏极之间的阻碍，形成漏极电流ID.   
• 我们把开始形成沟通时的栅极-源极之间的电压，称为MOS管的开启电压，用VGS(th)表示，通过的电流用ID表示；

通过控制VGS之间的电压的大小，可以改变漏极电流ID的大小。

综上，通过控制栅极G和源极S之间的电场，来控制源极和漏极是否导通，所以我们称为场效应管；

②PMOS管工作原理透析

工作原理分析：

• 如下图，漏极D和源极S之间有一个面对面的PN结，所以漏极D和源极S之间不管加载怎么一个电压，S和D 之间总有一个PN结处于反向偏置状态，S和D之间处于截止状态；

• 如果在栅极和源极之间加一个反向的电压 VGS；  栅极G和P型半导体之间的材质是绝缘物质SiQ2 ,按照电容的结构（两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质，就构成了电容器），绝缘层两端就会形成一个电容。
• VGS电压对这个电容充电，并形成一个电场，随着VGS电压的升高，受栅极反电压的影响，在这个电容的下侧，两个P+之间，形成一个P+型半导体（多子：空穴）的沟道。

• 当VSG的电压大于VSG(th)的时候，P沟道开始导通，打通了源极和漏极之间的阻碍，形成漏电流ID.   
• 我们把开始形成沟通时的栅极-源极之间的电压，称为MOS管的开启电压，用VGS(th)表示，通过的电流用ID表示；

通过控制VGS之间的电压的大小，可以改变漏极电流ID的大小:

4.  MOS管的寄生电容和工作频率 （了解）

①寄生电容

由于MOS管制造工艺的因素影响,各极之间都有寄生电容；

我们看一下规格书上面的寄生电容的参数；

Ciss   =   CGS+CGD             输入电容      Cgs = 325 -37 =  288pf

Coss  =   CDS + CGD         输出电容      Cds = 26pf

Crss   =   C GD           反向传输电容   C GD = 37pf

其中，关于规格书上面的3个寄生电容的参数，我们先给大家介绍到这里。

②MOS管的开关时间

结合一下图片理解MOS管的开关时间。

td(on): 开启延时时间

当VGs供电的时候，VGs两端的的电压不断的上升到VGs(th)的时间，这段时间的ID的值为0；

tr: 上升延时时间

VGs的电压大于VGs(th)，电压会不断的增大，当ID的电流达到最大的时候的时间；

td(off): 关闭延时时间

VGs的电压不断的下降，等ID=0的时候，VGs等于VGs(th)的这段时间称为关闭延时时间；

tf: 下降时间

VGs的电压由VGs(th)下降到0V的时间.

结合上面某一个MOS管的关断时间，计算一下该MOS管的理论工作频率。

MOS管工作的频率比较高的时候，就要特别注意这个参数。

5.  MOS管的寄生二极管（重点）

大家看到MOS管的原理图图标的时候都有一个小的疑问，为什么多了一个二极管？这个二极管就是MOS管内部的寄生二极管。

①NMOS管寄生二极管:

NMOS管没有工作的时候，源极S-衬底、漏极D-衬底间有2个PN结，由于源极S和衬底B短接，就剩漏极-源极间一个PN结，这个就是体二极管，又称寄生二极管

按照以上的分析。 如果源极 和漏极之间 有一个电压，源极S和D 之间就会导通；

如上图所示。 源极和漏极之间 不受栅极G的控制；

总结: 在NMOS管使用的时候，需要特别注意MOS管的接法； Vd > Vs

正确的接法：

状态分析：

SW1松开：

VGS  没有电压 内部寄生二极管反接     漏极和源极断开

SW1按下：

VGS >  VGS(th) 有电压     内部寄生二极管反接      漏极和源极导通

②PMOS管寄生二极管:

按照以上的分析。 如果漏极D和源极S之间 有一个电压，源极漏极D和源极S 之间就会导通；

如上图所示。 源极和漏极之间 不受栅极G的控制；

总结: 在PMOS管使用的时候，需要特别注意MOS管的接法； Vd <vs< span=””></vs<>

正确的接法：

SW1松开：

VGS  没有电压 内部寄生二极管反接     漏极和源极断开

SW1按下：

VSG >  VSG(th) 有电压     内部寄生二极管反接      漏极和源极导通

6.  MOS管的典型应用电路及相关概念:

本节课主要给大家介绍泄放电阻，高端驱动，低端驱动的概念和MOS管的典型应用电路。

①NMOS开关电路：

• 电路说明和分析：

如下图：CONTROL为控制信号脚，如果是单片机控制，高电平一般为3~5V，负载RL4 一端接电源正极，另一端接NMOS的D（漏极）。

CONTROL电平为高时，Vgs> Vgs(th)，MOS导通，负载工作。

CONTROL电平为低时，Vgs=0，MOS关断，负载停机。

• 泄放电阻的概念

上面电路中，在NMOS的G极、S极间，并联了一个10K左右的电阻R5。这个电阻通常被叫做泄放电阻，用来泄放GS极间的电荷。

• 为什么要加R5?

MOS的GS极间的有一个寄生电容，之间的阻值非常高，GS间有寄生电容，这就导致GS一旦充电，就很难释放掉。

如果没有这个泄放电阻，在G极通入高电平，负载会工作；     而将G极上的控制信号拿开，由于结电容（寄生电容Cgs）的存在，GS间的电压会维持在导通阀值以上很长一段时间，负载仍会继续工作。而加了泄放电阻，会加快泄放速度，使电路功能更加合理易用。

如果是由单片机控制的时候。Control是直接接GND的，这个电阻可以不用加。

• 高端驱动和低端驱动的概念：

高端驱动: 负载的一端接电源VCC，一端接MOS管的电极

低端驱动: 负载的一端接电源GND，一端接MOS管的电极

上面分析了高端驱动，NMOS可以正常工作，如果改成低端驱动，NMOS管的工作就异常了。

总结: NMOS管做开关使用的时候，需要选择高端驱动。

②PMOS开关作用，需要选择低端驱动:

如下图： 左边时高端驱动电路，右边时低端驱动电路。

• 高端驱动电路:

Control 输出低电平0V时，PMOS管导通，此时源极的电压是0V.  PMOS不能正常打开；

• 低端驱动电路:

Control 输出低电平0V时，PMOS管导通，此时源极的电压是VCC.  PMOS能正常打开；

总结：PMOS管适合低端驱动。

7.MOS管的相关参数和规格书介绍

本小节 结合MOS管的规格书，讲解一下MOS管的相关参数；

① RDS(on):导通电阻: 

导通电阻是指MOS管工作（启动）时，漏极D和源极S之间的电阻值，单位是欧姆。

MOS管控制大电流的时候，会出现发热的现象，就是由导通电阻RDS(on)导致的,Rds(ON)数值越小，工作时的损耗（功率损耗）就越小。（P = I2R）

单片机控制电路中，如果电流较小时，RDS(on)的影响有限。

• RDS(on)与VGS的关系

通常，栅极源极间电压（VGS）越高，Rds(ON)越小，所有要选择合适的VGS电压

• RDS(on)与ID的特性曲线图-了解
• 

② Vgs(th)开启电压：VT

开启电压 （又称阈值电压） ：使得源极 S 和漏极 D 之间开始形成导电沟道所需的栅极和源极之间的电压； 小于Vgs(th)， MOS管处于截止状态。等于Vgs的时候MOS管开始导通，如下图；

在MOS管选型的时候，我们要特别注意这个参数，有些MOS管的Vgs(th)的电压比单片机的VCC电压高，这种MOS管单片机是无法驱动的。

③   ID：漏极电流 

MOS管导通后，流过漏极和源极之间的电流，这个参数非常重要。

ID和VGS的关系特性曲线: 

ID的最大值:

ID的最大值指的是MOS管导通后，漏极流过源极的最大的电流值。这个参数需要通过规格书来获取，在电路设计的时候，我们需要选择合适的ID的参数；

④ 极限参数

⑤ 其他参数

跨导的定义：漏极电流Id的大小与栅源电压Vgs变化量的比值，叫做跨导。 

⑥ 极间电容-和开关延时时间:

这部分在寄生电容部分有讲解，这里直接跳过；

三个电极之间都存在着极间电容：栅源电容 CGS 、栅漏电容 CGD 和漏源电容 CDS ·CGS 和 CGD 约为 1～3pF ·CDS 约在 0.1～1pF 之间

8.  MOS管和三极管的关系

①开关功能

MOS管和三极管的都可以用作开关信号控制。

MOS管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似，所以在很多电路中，我们也可以直接用你MOS管替代三极管，或用三极管替代MOS管；

NPN三极管  –   NMOS

PNP三极管  –   PMOS

②价格

三极管的价格便宜，MOS管的价格比较贵。 

③三极管是通过电流驱动的，MOS管是通过电压驱动的；

由于三极管要正常驱动，基极和发射极需要一定的电流Ib；MOS管只需要在G极提供一定的电电压.   所以我们称三极管为流控器件   MOS管为压控器件  

④MOS管的功耗更小

MOS管栅极和其它电极是绝缘的，MOS管导通基本不消耗电流，所有MOS管的效率更高，功耗更小，所以目前很多集成电路中，包括芯片的内部都采用MOS管结构。

⑤导通阻抗不同

        MOS管的导通阻抗非常小，单位基本是m欧级别，因为导通阻抗非常小，即使通过较大的电流，在MOS管上的功耗相对也是很小

而三极管的CE之间的压降约0.4V左右，如果通过3A的电流,功耗就达到了1.2W (P = UI)相同电流的情况下，MOS管的功耗仅仅是P=I2R=32*37mΩ=0.333W.

⑥MOS管控制的电流更大

同样体积大小的MOS管和三极管，MOS管的ID比三极管的ICM大，MOS管可以控制的电流更大，所以MOS管常用来用来控制电源，以及大电流的开关电路。

……

二、MOS管选型

MOS管在电路设计中，比较常见，我们如何选择合适的MOS管，来满足电路的需求？

① 先确定选择NMOS?  PMOS？

NMOS一般采用高端驱动（上端驱动），PMOS选择低端驱动（下端驱动）。

如果我们控制的负载的电源，需要选择PMOS管，如果控制的是负载的GND，则选择NMOS.

② 确定开启电压VGS(th)的参数；

选择的MOS管的VGS(th)需要比控制信号的高电平要小，建议控制信号的电平电压 > 2* VGS(th) 

如果控制电压 = VGS(th)或接近，ID的电流太小。

具体的建议大家按照规格数据的曲线来选项。 

③ ID的极限电流 

根据需要流过MOS管的ID的电流，选择合适的参数。

这个参数也是非常的重要，在选型的时候要特别注意。普通的mos管的ID电流大概在100mA，大功率的可以达到3A   7A甚至跟高。

④ 考虑发热的可能性

如果ID的电流比较大的时候，我们需要特别注意MOS管发射的情况，MOS管发热和MOS管的导通电阻RDS(on)有关，我们尽可能选择导通电阻数值比较小的MOS管。  P = I2R

④ 开关性能

如果开关的频率比较高的时候，就需要考虑MOS管的开关性能，尽可能选择寄生电容比较小的MOS管。 

具体的是否可以满足高频率需求，需要我们验证测试之后，再做电路设计。

⑤封装

在可以满足电路设计需求的情况下，我们尽可能选择小封装的MOS管，比较常见的有SOT232  SOP8等….

⑥其他因素

品牌，价格，技术支持…

三、  产品应用(重点)

1、  应用电路1：控制LED 

功能说明：

LED6连接单片机GPIO口(STM32), LED6端口  控制LED9发光二极管亮，灭；

电路分析：

Q1为N 通道MOS管；   LED6 低电平0V    Q1截止     LED6 高电平3.3V    Q1导通    LED9亮

相关参数：

• Q1 导通电压: 

LED6 高电平3.3V   按照电阻分压的原理： Q1的栅极的电压是(10/(4.7+10) )*3.3 = 2.24V

• Q1导通电流:  

ID = (3.3-2)V / 150R =  8.7mA  

通过曲线分析:

通过以上电路的分析。电感Vgs的电压是2.2V的时候，可以通过的电流是40mA；  大于电路需求8.7mA;

当通过的电流是8mA的时候，MOS管的导通电阻< 10Ω 。 功耗是 P =I2R =  0.008*0.008*8 = 0.000512w;

总结:

当N通道MOS管当开关使用的时候，和三极管NPN的功能是一样的；

2、  应用电路2： P型MOS管 开关作用   电源控制    

电路实现的功能：

Q2 用来控制是否给后级负载供电

电路说明:

• VBAT: 电池电压 
• Q2:   P通道MOS管      
• Q1:   NPN三极管 8050  
• POWER_CRL:  单片机（STM32）IO口控制脚  

电路分析：

• POWER_CRL输出高电平：

Q1导通   Q2导通  后级有电压

• POWER_CRL输出低电平

Q1截止  Q2截止  后级无电压

相关参数：通过SI2301规格书讲解（通过视频讲解）

• 漏极电流： SI2302  = 3.3A;
• VGS电压:    Vgs 大概等于4V 
• P=I*I*R =1*1*0.08R = 0.08W 

 

3、  应用电路3：巧用MOS管的内部寄生二极管-电源反接保护

电路说明：

电源反接保护

电路分析:

电源正接：电源上电后，通过Q1的寄生二极管，在输出端有一个电压，如果内部寄生二极管消耗了0.4V的电压，后端的电压是4.6V,   4.6V的电压通过R4 和R3 分压后，Q1栅极的电压是2.3V。  源极的电压是4.6V，此时Vgs = -2.3V, Q1的栅极和源极导通，由于MOS管内部的压降很小，所有后端输出的电压由4.6V变成5V.    电路正常工作。

电源反接: 如果电源反接,R3下面的GND会变成DC5V_IN，输入端DC5V_IN是GND;  Q1截止,电路后端没有电压和电流，从而保护了后端的负载电路。

参数分析：

1. VGS导通电压   VGS = -2.3   ID = -12A;  -12A指的是ID可以通过的电流的能力，并不是实际电流。 
2. ID 最大值 ：-4.2A      4.2 A< 12A,可以满足需求，MOS管完全导通。

 

4、  应用电路4：

①：AP4953A芯片的内部结构

②：电路分析：

以上的应用电路相对比较复杂，需要大家按照视频结合以下文字来深入理解。

• 首先是这个电路是要实现的功能是什么？
• 其次分析每个功能是由那部分电路实现的？
• 最后分析MOS管的相关参数

电路说明和电路功能需求：

• 电路说明:

• S6为系统供电开关。按下开始供电，松开停止供电
• 系统有电池和 外电USB两种供电方式。 3.8V由USB供电转换电压，有USB供电时，有3.8V，USB没有供电的时候，没有3.8V的电压。  
• 优先3.8V供电，USB断开时，由电池供电
• VBAT_GSM 为负载系统供电   
• 电路分析
• S6按下：VBAT_GSM 供电正常    S6松开，VBAT_GSM 供电断开
• USB供电和电池供电，USB供电优先，USB没有供电的时候，自动切换电池供电
• S6控制系统负载供电

S6摁下的工作状态分析：

S6松开的工作状态分析：

• 电池和3.8V供电切换

有USB5V供电状态分析：

USB5V供电断开状态分析：

• 总结:

MOS1的作用：控制系统是否供电

MOS2的作用：3.8V 和电池供电相互切换的功能

MOS管相关参数的分析： 

支持的最大电流：

导通电压：

四、  习题

1. MOS管选型的时候需要注意那些参数？
2. 导通电阻
3. 开启电压VGS(TH)
4. 漏极最大电流
5. 内部寄生电容
6. MOS管的类型
7. MOS截止状态的漏电流
8. MOS管在电路设计的时候，以下那些说法正确？
9. mos管工作在截止状态的时候，“寄生二极管”需要处于截止状态。
10. NMOS工作的时候，电流只能从漏极D流向源极S，PMOS工作的时候，只能从源极S流向漏极D
11. 一般情况下， NMOS支持高端驱动，PMOS管支持低端驱动 
12. MOS管是电压驱动的，所以只要栅极和源极之间有电压就可以导通
13. MOS管内部的体二极管没有任何用处的说法是否正确？
14. 电路设计的时候，NMOS的VGS=  Vgs(th)就可以满足电路需求的说法是否正确？
15. MOS和三极管的关系

习题答案:

1. MOS管选型的时候需要注意那些参数？(a b c d e f)
2. 导通电阻
3. 开启电压VGS(TH)
4. 漏极最大电流
5. 内部寄生电容越小越好
6. MOS管的类型 
7. MOS截止状态的漏电流

2.MOS管在电路设计的时候，以下那些说法正确？(a c)

1. mos管工作在截止状态的时候，“寄生二极管”需要处于截止状态。
2. NMOS工作的时候，电流只能从漏极D流向源极S，PMOS工作的时候，只能从源极S流向漏极D
3. 一般情况下， NMOS支持高端驱动，PMOS管支持低端驱动 
4. MOS管是电压驱动的，所以只要栅极和源极之间有电压就可以导通

3.MOS管内部的体二极管没有任何用处的说法是否正确？

这种说法是错误的，在电路设计的时候，我们可以巧妙的使用MOS管的体二极管实现我们需要的功能，例如应用电路3和应用电路4；

4.电路设计的时候，MOS的VGS  =  Vgs(th)的就可以满足电路需求的说法是否正确？

错误，VGS  =  Vgs(th)的时，MOS管刚开始导通，ID的电流还是很小的，MOS管没有完全到通过，建议VGS  >  1.5Vgs(th 具体的要看规格书的VGS-ID曲线图；

5.MOS和三极管的联系

• MOS管和三极管最常用的都是开关作用,NMOS和NPN三极管类似，PMOS和PNP三极管类似
• 三级管的价格更便宜
• MOS管时压控器件，功耗更低
• 同样的封装大小，语言MOS管的功耗更小，MOS管支持更大的电流

在单片机电路中，MOS管通常用来控制电源开关，或大电流电路的，三极管用来做小电流电路开关的。