MOS管工作原理图详解

MOS管是(shi)FET的(de)一种(zhong)(另一种(zhong)是(shi)JFET)，可以被制(zhi)造成(cheng)增(zeng)强型(xing)或(huo)耗尽(jin)型(xing)，P沟道或(huo)N沟道共4种(zhong)类型(xing)，但实(shi)际应(ying)用的(de)只有增(zeng)强型(xing)的(de)N沟道MOS管和增(zeng)强型(xing)的(de)P沟道MOS管，所以通常提到(dao)NMOS，或(huo)者PMOS指的(de)就是(shi)这(zhei)两种(zhong)。

对于这两种增强型MOS管(guan)，比较常用的是NMOS。原(yuan)因(yin)是导(dao)通(tong)电阻小(xiao)，且容易制造。所以开关电源(yuan)和马达驱动的应(ying)用中(zhong)，一般都(dou)用NMOS。下面(mian)的介(jie)绍中(zhong)，也多以NMOS为主(zhu)。

MOS管的(de)三(san)个管脚之间有寄生(sheng)电(dian)容存在，这不是我们需要的(de)，而是由(you)于制造工艺(yi)限制产(chan)生(sheng)的(de)。寄生(sheng)电(dian)容的(de)存在使得在设计或选择驱动(dong)电(dian)路(lu)的(de)时候要麻烦一些，但(dan)没有办法避免，后边再详细介绍。

在MOS管(guan)(guan)(guan)工作原理图上(shang)可以看到，漏极(ji)和(he)源极(ji)之间有一个寄生二(er)极(ji)管(guan)(guan)(guan)。这(zhei)个叫体(ti)二(er)极(ji)管(guan)(guan)(guan)，在驱动感性(xing)负(fu)载(如(ru)马达)，这(zhei)个二(er)极(ji)管(guan)(guan)(guan)很重要(yao)。顺便说(shuo)一句，体(ti)二(er)极(ji)管(guan)(guan)(guan)只在单个的(de)MOS管(guan)(guan)(guan)中存在，在集成电路芯片内部通常是没(mei)有的(de)。

MOS管工作原理图电源开关电路详解

这(zhei)是该装置(zhi)的(de)核心，在介绍该部分工作原理(li)之前，先(xian)简单解释一下MOS的(de)工作原理(li)图。

它一般有耗尽型(xing)和(he)增(zeng)强型(xing)两种(zhong)。本文使用的为增(zeng)强型(xing)MOS

MOS管，其(qi)内(nei)部结构见mos管工作原(yuan)理图(tu)(tu)。它可分(fen)为NPN型(xing)PNP型(xing)。NPN型(xing)通(tong)常称(cheng)为N沟道(dao)型(xing)，PNP型(xing)也叫P沟道(dao)型(xing)。由图(tu)(tu)可看出(chu)，对(dui)于(yu)(yu)N沟道(dao)的(de)(de)(de)场(chang)效(xiao)应管其(qi)源(yuan)极(ji)(ji)(ji)和漏极(ji)(ji)(ji)接在N型(xing)半(ban)导(dao)体(ti)(ti)上，同样对(dui)于(yu)(yu)P沟道(dao)的(de)(de)(de)场(chang)效(xiao)应管其(qi)源(yuan)极(ji)(ji)(ji)和漏极(ji)(ji)(ji)则接在P型(xing)半(ban)导(dao)体(ti)(ti)上。我(wo)(wo)们知(zhi)道(dao)一般三极(ji)(ji)(ji)管是由输(shu)(shu)入(ru)(ru)的(de)(de)(de)电(dian)(dian)流(liu)控(kong)制输(shu)(shu)出(chu)的(de)(de)(de)电(dian)(dian)流(liu)。但对(dui)于(yu)(yu)场(chang)效(xiao)应管，其(qi)输(shu)(shu)出(chu)电(dian)(dian)流(liu)是由输(shu)(shu)入(ru)(ru)的(de)(de)(de)电(dian)(dian)压（或称(cheng)电(dian)(dian)场(chang)）控(kong)制，可以(yi)认为输(shu)(shu)入(ru)(ru)电(dian)(dian)流(liu)极(ji)(ji)(ji)小或没有输(shu)(shu)入(ru)(ru)电(dian)(dian)流(liu)，这使得(de)该器(qi)件有很高(gao)的(de)(de)(de)输(shu)(shu)入(ru)(ru)阻抗，同时(shi)这也是我(wo)(wo)们称(cheng)之为场(chang)效(xiao)应管的(de)(de)(de)原(yuan)因(yin)。

为(wei)解释(shi)MOS管(guan)工作原理图，我(wo)们先(xian)了解一下仅(jin)含有(you)一个(ge)P—N结(jie)的(de)二极(ji)(ji)(ji)管(guan)的(de)工作过程。如图所示，我(wo)们知道在(zai)二极(ji)(ji)(ji)管(guan)加(jia)(jia)上正(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)向电(dian)(dian)(dian)压（P端(duan)(duan)接(jie)正(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)极(ji)(ji)(ji)，N端(duan)(duan)接(jie)负极(ji)(ji)(ji)）时(shi)，二极(ji)(ji)(ji)管(guan)导(dao)(dao)(dao)(dao)通，其PN结(jie)有(you)电(dian)(dian)(dian)流通过。这是因为(wei)在(zai)P型(xing)(xing)(xing)半(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)(dao)体端(duan)(duan)为(wei)正(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)电(dian)(dian)(dian)压时(shi)，N型(xing)(xing)(xing)半(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)(dao)体内的(de)负电(dian)(dian)(dian)子(zi)被吸引而涌向加(jia)(jia)有(you)正(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)电(dian)(dian)(dian)压的(de)P型(xing)(xing)(xing)半(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)(dao)体端(duan)(duan)，而P型(xing)(xing)(xing)半(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)(dao)体端(duan)(duan)内的(de)正(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)电(dian)(dian)(dian)子(zi)则朝N型(xing)(xing)(xing)半(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)(dao)体端(duan)(duan)运动(dong)，从而形(xing)成导(dao)(dao)(dao)(dao)通电(dian)(dian)(dian)流。同理，当二极(ji)(ji)(ji)管(guan)加(jia)(jia)上反向电(dian)(dian)(dian)压（P端(duan)(duan)接(jie)负极(ji)(ji)(ji)，N端(duan)(duan)接(jie)正(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)极(ji)(ji)(ji)）时(shi)，这时(shi)在(zai)P型(xing)(xing)(xing)半(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)(dao)体端(duan)(duan)为(wei)负电(dian)(dian)(dian)压，正(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)电(dian)(dian)(dian)子(zi)被聚集(ji)在(zai)P型(xing)(xing)(xing)半(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)(dao)体端(duan)(duan)，负电(dian)(dian)(dian)子(zi)则聚集(ji)在(zai)N型(xing)(xing)(xing)半(ban)(ban)导(dao)(dao)(dao)(dao)体端(duan)(duan)，电(dian)(dian)(dian)子(zi)不移动(dong)，其PN结(jie)没有(you)电(dian)(dian)(dian)流通过，二极(ji)(ji)(ji)管(guan)截止。

对于MOS管（见图），在(zai)栅极没有电压(ya)时，由前面分析可知，在(zai)源极与漏极之间不会(hui)有电流流过(guo)，此时MOS管与截止状态（图a）。当有一(yi)个正电压(ya)加在(zai)N沟道的MOS管。

MOS管栅极(ji)上时(shi)，由(you)(you)于(yu)电(dian)(dian)(dian)场的(de)(de)(de)(de)(de)作用，此时(shi)N型半(ban)导(dao)体的(de)(de)(de)(de)(de)源(yuan)极(ji)和(he)漏极(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)负电(dian)(dian)(dian)子被吸引出(chu)来而(er)涌向栅极(ji)，但由(you)(you)于(yu)氧化(hua)膜的(de)(de)(de)(de)(de)阻挡，使得电(dian)(dian)(dian)子聚集在两个(ge)N沟(gou)道之(zhi)间的(de)(de)(de)(de)(de)P型半(ban)导(dao)体中（见(jian)图b），从而(er)形成(cheng)电(dian)(dian)(dian)流(liu)，使源(yuan)极(ji)和(he)漏极(ji)之(zhi)间导(dao)通。我们也可以想像为两个(ge)N型半(ban)导(dao)体之(zhi)间为一条沟(gou)，栅极(ji)电(dian)(dian)(dian)压(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)建(jian)立相当于(yu)为它们之(zhi)间搭了(le)一座桥梁(liang)，该桥的(de)(de)(de)(de)(de)大小由(you)(you)栅压(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)大小决定。图给出(chu)了(le)P沟(gou)道的(de)(de)(de)(de)(de)MOS管。

MOS管工(gong)作原理图(tu)工(gong)作过程(cheng)，其(qi)工(gong)作原理类(lei)似这里(li)不再重复。

下面简述一(yi)下用(yong)C-MOS场(chang)(chang)效(xiao)应(ying)管(guan)(guan)(guan)（增(zeng)强(qiang)型(xing)MOS管(guan)(guan)(guan)）组成的(de)(de)应(ying)用(yong)电(dian)(dian)路的(de)(de)工(gong)(gong)作过程（见图）。电(dian)(dian)路将一(yi)个增(zeng)强(qiang)型(xing)P沟(gou)(gou)道MOS管(guan)(guan)(guan)和一(yi)个增(zeng)强(qiang)型(xing)N沟(gou)(gou)道MOS场(chang)(chang)效(xiao)应(ying)管(guan)(guan)(guan)组合在(zai)一(yi)起使用(yong)。当(dang)输(shu)入端(duan)(duan)(duan)为(wei)低电(dian)(dian)平时，P沟(gou)(gou)道MOS管(guan)(guan)(guan)导(dao)通(tong)(tong)，输(shu)出(chu)端(duan)(duan)(duan)与(yu)电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)正(zheng)极(ji)接(jie)通(tong)(tong)。当(dang)输(shu)入端(duan)(duan)(duan)为(wei)高电(dian)(dian)平时，N沟(gou)(gou)道MOS场(chang)(chang)效(xiao)应(ying)管(guan)(guan)(guan)导(dao)通(tong)(tong)，输(shu)出(chu)端(duan)(duan)(duan)与(yu)电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)地接(jie)通(tong)(tong)。在(zai)该电(dian)(dian)路中(zhong)，P沟(gou)(gou)道MOS场(chang)(chang)效(xiao)应(ying)管(guan)(guan)(guan)和N沟(gou)(gou)道MOS场(chang)(chang)效(xiao)应(ying)管(guan)(guan)(guan)总是在(zai)相反(fan)的(de)(de)状态(tai)下工(gong)(gong)作，其(qi)相位输(shu)入端(duan)(duan)(duan)和输(shu)出(chu)端(duan)(duan)(duan)相反(fan)。通(tong)(tong)过这种工(gong)(gong)作方式我们可(ke)以获得(de)较大的(de)(de)电(dian)(dian)流输(shu)出(chu)。同时由于(yu)(yu)漏电(dian)(dian)流的(de)(de)影响，使得(de)栅压在(zai)还没(mei)有到0V，通(tong)(tong)常(chang)在(zai)栅极(ji)电(dian)(dian)压小于(yu)(yu)1到2V时，MOS场(chang)(chang)效(xiao)应(ying)管(guan)(guan)(guan)既被关断。不同场(chang)(chang)效(xiao)应(ying)管(guan)(guan)(guan)其(qi)关断电(dian)(dian)压略有不同。也(ye)正(zheng)因为(wei)如此，使得(de)该电路不会因为(wei)两管同时导通而(er)造成电源短路。

由(you)以(yi)上(shang)分析我们可以(yi)画出(chu)mos管工作原(yuan)理(li)图中MOS管电路部(bu)分的(de)工作过程(cheng)（见图）。工作原(yuan)理(li)同(tong)前所述。

MOS管应用电路

MOS管(guan)最显著的特性是开(kai)关特性好，所(suo)以(yi)被广(guang)泛(fan)应用在需要电(dian)子开(kai)关的电(dian)路中，常见的如开(kai)关电(dian)源和马达驱动(dong)，也有照明(ming)调光。

现在(zai)的MOS驱动(dong)，有几个特别的需求：

1、低压应用

当使(shi)用(yong)(yong)5V电源，这(zhei)时(shi)候如果使(shi)用(yong)(yong)传统(tong)的(de)(de)mos管(guan)工(gong)作原(yuan)理图图腾柱结构，由于三极管(guan)的(de)(de)be有(you)0.7V左右的(de)(de)压降，导致实际(ji)最终加在gate上的(de)(de)电压只有(you)4.3V。这(zhei)时(shi)候，我们选用(yong)(yong)标称gate电压4.5V的(de)(de)MOS管(guan)就存(cun)在一定的(de)(de)风险。

同样的问题也发生在使(shi)用3V或者其他低压电源的场合(he)。

2、宽电压应用

输入电压(ya)并不是(shi)一个(ge)(ge)固定值，它会(hui)随着时间(jian)或者其他因素而变动。这个(ge)(ge)变动导致PWM电路提供给MOS管的驱(qu)动电压(ya)是(shi)不稳(wen)定的。

为了让MOS管(guan)在(zai)高gate电(dian)压下(xia)安全，很多MOS管(guan)内置了稳(wen)压管(guan)强行限制gate电(dian)压的(de)幅值。在(zai)这种(zhong)情况下(xia)，当提供的(de)驱动电(dian)压超(chao)过稳(wen)压管(guan)的(de)电(dian)压，就会(hui)引起较(jiao)大的(de)静(jing)态功(gong)耗。

同时(shi)，如(ru)果简(jian)单的用电(dian)阻分压(ya)的原理(li)降低gate电(dian)压(ya)，就会出现(xian)输入(ru)电(dian)压(ya)比较高的时(shi)候，MOS管工作良(liang)好，而(er)输入(ru)电(dian)压(ya)降低的时(shi)候gate电(dian)压(ya)不足，引起导通不够彻底，从而(er)增(zeng)加功耗。

3、双电压应用

在一些控制电(dian)(dian)路中，逻辑(ji)部(bu)分使用(yong)典型的5V或(huo)者3.3V数(shu)字电(dian)(dian)压，而(er)功(gong)率部(bu)分使用(yong)12V甚至更高的电(dian)(dian)压。两个电(dian)(dian)压采用(yong)共(gong)地方式连接。

这就提(ti)(ti)出一(yi)个要求，需要使用一(yi)个电路，让低压(ya)(ya)侧能够(gou)有效(xiao)的(de)控制高(gao)压(ya)(ya)侧的(de)MOS管(guan)，同时高(gao)压(ya)(ya)侧的(de)MOS管(guan)也同样会面对1和2中提(ti)(ti)到的(de)问(wen)题。

在这三种情况下，图腾柱结构(gou)无法满足输出要求，而(er)很多(duo)现成(cheng)的MOS驱动IC，似乎也没有(you)包含gate电(dian)压限(xian)制的结构(gou)。

于是我(wo)设计了一个相对(dui)通(tong)用的电路来满足这(zhei)三种需(xu)求。

mos管工作原理图如下：

用于NMOS的驱动电路

用于PMOS的驱动电路

NMOS驱动电路做一个简单分析

Vl和(he)Vh分(fen)别是(shi)(shi)低端和(he)高端的电源，两个电压(ya)可以(yi)是(shi)(shi)相同的，但是(shi)(shi)Vl不(bu)应该(gai)超过Vh。

Q1和(he)Q2组(zu)成了一个反置的(de)图腾柱，用(yong)来(lai)实现隔离(li)，同(tong)时确(que)保两只(zhi)驱(qu)动管Q3和(he)Q4不会同(tong)时导通。

R2和(he)R3提供(gong)了(le)PWM电(dian)压基准，通过改变这个基准，可以让(rang)电(dian)路工作在PWM信(xin)号波形比较陡直的位置。

Q3和Q4用来(lai)提供驱动电流，由于(yu)导(dao)通的(de)时候，Q3和Q4相对Vh和GND最低都只有一个Vce的(de)压降(jiang)，这个压降(jiang)通常(chang)只有0.3V左右(you)，大大低于(yu)0.7V的(de)Vce。

R5和R6是反馈电(dian)(dian)阻，用于对(dui)gate电(dian)(dian)压(ya)进(jin)行采样(yang)(yang)，采样(yang)(yang)后(hou)的(de)电(dian)(dian)压(ya)通过(guo)Q5对(dui)Q1和Q2的(de)基(ji)极(ji)产生一个(ge)强(qiang)烈的(de)负(fu)反馈，从而把gate电(dian)(dian)压(ya)限(xian)(xian)制在一个(ge)有(you)限(xian)(xian)的(de)数值。这个(ge)数值可以(yi)通过(guo)R5和R6来调(diao)节。

最(zui)后，R1提供了对Q3和Q4的基极电(dian)流限(xian)制(zhi)，R4提供了对MOS管的gate电(dian)流限(xian)制(zhi)，也(ye)就是Q3和Q4的Ice的限(xian)制(zhi)。必要的时候(hou)可以在R4上面并联加速电(dian)容。

这个电路提供了如下的特性：

1，用低端电压和PWM驱动高(gao)端MOS管。

2，用小幅度的(de)PWM信号驱动高(gao)gate电压需求的(de)MOS管。

3，gate电压的峰值(zhi)限制

4，输入和输出的电流限制

5，通过使用合适的(de)电(dian)阻，可以达到很(hen)低的(de)功耗。

6，PWM信号反相(xiang)。NMOS并不需要这个特性(xing)，可以通过前置一个反相(xiang)器来解决。

在(zai)设计便携式设备(bei)和无(wu)线产品(pin)时(shi)，提高产品(pin)性能、延长电(dian)池工作时(shi)间是设计人员需要(yao)面对的两个问题(ti)。DC-DC转换器具(ju)有效(xiao)率高、输出(chu)电(dian)流大(da)、静(jing)态电(dian)流小等优点，非常适(shi)用于为便携式设备(bei)供(gong)电(dian)。

DC-DC转换器设计技术发展主要趋势：

(1)高频化技术：随着开(kai)(kai)(kai)关频率的提高，开(kai)(kai)(kai)关变换(huan)器的体积也(ye)随之减小，功率密(mi)度也(ye)得(de)到(dao)大幅提升，动态(tai)响应(ying)得(de)到(dao)改善(shan)。小功率DC-DC转换(huan)器的开(kai)(kai)(kai)关频率将(jiang)上升到(dao)兆赫级。

(2)低(di)输出电压技术：随着半导(dao)体制(zhi)造技术的不断(duan)发展，微(wei)处理(li)器和便(bian)携式电子设(she)备(bei)的工作(zuo)电压越来越低(di)，这就要(yao)求未来的DC-DC变(bian)换器能够提供低(di)输出电压以(yi)适(shi)应微(wei)处理(li)器和便(bian)携式电子设(she)备(bei)的要(yao)求。

这(zhei)些技(ji)术(shu)的(de)(de)发展(zhan)对(dui)电(dian)源芯片(pian)电(dian)路的(de)(de)设计提出(chu)了更(geng)高的(de)(de)要求(qiu)。首(shou)先，随着开(kai)关(guan)频(pin)率的(de)(de)不断提高，对(dui)于(yu)开(kai)关(guan)元件(jian)的(de)(de)性(xing)能提出(chu)了很高的(de)(de)要求(qiu)，同时必须具有相应的(de)(de)开(kai)关(guan)元件(jian)驱动电(dian)路以保证开(kai)关(guan)元件(jian)在(zai)高达(da)兆赫级的(de)(de)开(kai)关(guan)频(pin)率下正常工(gong)作(zuo)。其(qi)次(ci)，对(dui)于(yu)电(dian)池(chi)供(gong)电(dian)的(de)(de)便携式电(dian)子设备来说，电(dian)路的(de)(de)工(gong)作(zuo)电(dian)压低(di)(以锂电(dian)池(chi)为例，工(gong)作(zuo)电(dian)压 2.5～3.6V)，因(yin)此，电(dian)源芯片(pian)的(de)(de)工(gong)作(zuo)电(dian)压较(jiao)低(di)。

MOS管具有(you)很(hen)低(di)的(de)(de)(de)导通电(dian)阻，消耗(hao)能量(liang)较低(di)，在目前流行的(de)(de)(de)高效DC-DC芯片中多采用MOS管作为功率(lv)开关。但是由于MOS管的(de)(de)(de)寄(ji)生(sheng)电(dian)容大，一(yi)般情况下 NMOS开关管的(de)(de)(de)栅极电(dian)容高达几十(shi)皮法。这对于设计高工作频率(lv)DC-DC转换器开关管驱(qu)动电(dian)路的(de)(de)(de)设计提出了更高的(de)(de)(de)要求(qiu)。

在低(di)电压(ya)(ya)(ya)ULSI设(she)计(ji)中有多种CMOS、BiCMOS采(cai)用自举升(sheng)压(ya)(ya)(ya)结构(gou)的逻辑电路(lu)(lu)(lu)(lu)和作为大容(rong)性负(fu)载的驱动(dong)电路(lu)(lu)(lu)(lu)。这(zhei)些(xie)电路(lu)(lu)(lu)(lu)能(neng)(neng)够在低(di)于(yu)1V电压(ya)(ya)(ya)供电条件(jian)下(xia)正(zheng)常工(gong)作，并且能(neng)(neng)够在负(fu)载电容(rong)1～2pF的条件(jian)下(xia)工(gong)作频(pin)率能(neng)(neng)够达到几十兆甚至上(shang)百(bai)兆赫兹。本文(wen)正(zheng)是采(cai)用了自举升(sheng)压(ya)(ya)(ya)电路(lu)(lu)(lu)(lu)，设(she)计(ji)了一种具有大负(fu)载电容(rong)驱动(dong)能(neng)(neng)力的，适合于(yu)低(di)电压(ya)(ya)(ya)、高开关频(pin)率升(sheng)压(ya)(ya)(ya)型(xing)DC-DC转换器的驱动(dong)电路(lu)(lu)(lu)(lu)。电路(lu)(lu)(lu)(lu)基于(yu)Samsung AHP615 BiCMOS工(gong)艺设(she)计(ji)并经过Hspice仿真验证，在供电电压(ya)(ya)(ya)1.5V ，负(fu)载电容(rong)为60pF时，工(gong)作频(pin)率能(neng)(neng)够达到5MHz以(yi)上(shang)。

MOS开关管损失

不管是NMOS还是PMOS，导(dao)通(tong)后(hou)都有导(dao)通(tong)电(dian)(dian)阻(zu)存在，这(zhei)样(yang)电(dian)(dian)流就会(hui)在这(zhei)个(ge)电(dian)(dian)阻(zu)上(shang)消耗能量(liang)，这(zhei)部分消耗的(de)能量(liang)叫做导(dao)通(tong)损耗。选择(ze)导(dao)通(tong)电(dian)(dian)阻(zu)小的(de)MOS管会(hui)减小导(dao)通(tong)损耗。现在的(de)小功率MOS管导(dao)通(tong)电(dian)(dian)阻(zu)一般在几十毫欧左右，几毫欧的(de)也有。

MOS在(zai)导通(tong)(tong)和(he)截(jie)止的(de)时候，一(yi)定不(bu)是(shi)在(zai)瞬间完成的(de)。MOS两端的(de)电(dian)(dian)压(ya)有(you)一(yi)个(ge)(ge)下降(jiang)的(de)过程(cheng)，流(liu)(liu)过的(de)电(dian)(dian)流(liu)(liu)有(you)一(yi)个(ge)(ge)上升的(de)过程(cheng)，在(zai)这段(duan)时间内，MOS管(guan)的(de)损失(shi)(shi)是(shi)电(dian)(dian)压(ya)和(he)电(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)乘积，叫做开(kai)(kai)关(guan)损失(shi)(shi)。通(tong)(tong)常开(kai)(kai)关(guan)损失(shi)(shi)比导通(tong)(tong)损失(shi)(shi)大(da)得多(duo)，而(er)且(qie)开(kai)(kai)关(guan)频率越快，损失(shi)(shi)也越大(da)。

导通瞬间(jian)电压和电流的(de)乘(cheng)积很大，造成的(de)损(sun)失(shi)也就很大。缩短开(kai)(kai)关时(shi)间(jian)，可(ke)以(yi)减(jian)小每次(ci)导通时(shi)的(de)损(sun)失(shi);降低开(kai)(kai)关频率，可(ke)以(yi)减(jian)小单位时(shi)间(jian)内的(de)开(kai)(kai)关次(ci)数。这(zhei)两种办法都(dou)可(ke)以(yi)减(jian)小开(kai)(kai)关损(sun)失(shi)。

上(shang)图(tu)是(shi)MOS管工作(zuo)原理图(tu)导(dao)通(tong)(tong)(tong)时(shi)的(de)波形。可(ke)(ke)以(yi)看出，导(dao)通(tong)(tong)(tong)瞬间(jian)(jian)电压和电流(liu)的(de)乘积很(hen)大，造成的(de)损失(shi)也就很(hen)大。降低(di)开关(guan)时(shi)间(jian)(jian)，可(ke)(ke)以(yi)减小(xiao)每(mei)次(ci)导(dao)通(tong)(tong)(tong)时(shi)的(de)损失(shi);降低(di)开关(guan)频率，可(ke)(ke)以(yi)减小(xiao)单位时(shi)间(jian)(jian)内的(de)开关(guan)次(ci)数。这两种(zhong)办(ban)法都(dou)可(ke)(ke)以(yi)减小(xiao)开关(guan)损失(shi)。

MOS管发热原因分析

一(yi)(yi)款路由产(chan)品的(de)硬件开发(fa)中(zhong)，其中(zhong)一(yi)(yi)项是客(ke)户(hu)需要非标(biao)准POE供电(dian)(dian)(dian)(dian)，可输(shu)出(chu)的(de)POE供电(dian)(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)为12/24/30/48V切换(huan)，最(zui)大输(shu)出(chu)功率(lv)设计为24W，电(dian)(dian)(dian)(dian)路采(cai)用反激式电(dian)(dian)(dian)(dian)源方案（电(dian)(dian)(dian)(dian)源芯(xin)片MP3910，芯(xin)片厂(chang)商提供方案），在(zai)调试该部分(fen)电(dian)(dian)(dian)(dian)路时出(chu)现MOS管(guan)(guan)(guan)（NMOS，SUD50N06）发(fa)热(re)严(yan)重(zhong)，输(shu)出(chu)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)非带(dai)(dai)载(zai)时正(zheng)常，带(dai)(dai)载(zai)时（开始(shi)带(dai)(dai)载(zai)50%）,MOS管(guan)(guan)(guan)发(fa)热(re)严(yan)重(zhong)，输(shu)出(chu)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)被拉低，不论是输(shu)出(chu)哪一(yi)(yi)路电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)，输(shu)出(chu)只有(you)9V左右，TLV431的(de)稳压(ya)值只有(you)1V左右（正(zheng)常选择的(de)型号(hao)Vref=2.5V），开始(shi)一(yi)(yi)直觉(jue)得(de)问题(ti)出(chu)在(zai)TLV431上(shang)，后(hou)来换(huan)了(le)板子竟发(fa)现可以正(zheng)常稳压(ya)（应(ying)该是上(shang)一(yi)(yi)个板子变压(ya)器和MOS管(guan)(guan)(guan)出(chu)现问题(ti)，但没回去验证），但是mos管(guan)(guan)(guan)很烫，带(dai)(dai)载(zai)不到(dao)十秒钟(zhong)就会(hui)冒烟，后(hou)来经过与(yu)芯(xin)片方案的(de)FAE沟通才(cai)发(fa)现，MSP3910的(de)驱动(dong)MOS管(guan)(guan)(guan)的(de)引(yin)脚(jiao)gate脚(jiao)与(yu)MOS管(guan)(guan)(guan)之间的(de)限流电(dian)(dian)(dian)(dian)阻用错物料(liao)，mos管(guan)(guan)(guan)工(gong)作(zuo)原理图是4.99欧(ou)，但实际用的(de)是4.99K，更换(huan)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻后(hou)可输(shu)出(chu)正(zheng)常电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)，MOS管(guan)(guan)(guan)也不会(hui)很烫。

下面是解决问题思路：

一(yi)、用示波(bo)器(qi)观察所用MOS管(guan)(guan)的G极(ji)波(bo)形，如图(tu)一(yi)所示 ，上(shang)(shang)升时(shi)间接(jie)(jie)近1.32us，下降时(shi)间接(jie)(jie)近<160ns（实测(ce)50ns），再看如图(tu)二(er)所示的手册中(zhong)对MOS驱动上(shang)(shang)升下降沿要(yao)求，上(shang)(shang)升时(shi)间要(yao)求<35ns，下降时(shi)间<80ns，可得结论(lun)：上(shang)(shang)升时(shi)间过长导致MOS管(guan)(guan)工(gong)作为(wei)线性状态，非开关状态（参看总结一(yi)），MOS管(guan)(guan)开通过程时(shi)间太长直接(jie)(jie)导致了MOS管(guan)(guan)的发热(re)严(yan)重(zhong)。

二(er)、解决：更(geng)换驱动限(xian)流电阻（图二(er)中Rg），由于当时手(shou)里当时没有(you)4.99欧电阻，更(geng)换为22欧的(de)电阻后，G极(ji)波形如图三所示(shi)，Ton和Toff已经(jing)接近图二(er)要求的(de)时间，MOS管(guan)24V时带载27欧，输(shu)出功率21.3W，输(shu)出电压(ya)正常，MOS管(guan)基本不发热。

总结一：MOS管发热原因小结

1、电路设计的(de)问题，就是让MOS管工(gong)作(zuo)在(zai)(zai)线性(xing)的(de)工(gong)作(zuo)状态，而不是在(zai)(zai)开关状态。这也(ye)(ye)是导(dao)致MOS管发热(re)的(de)一个原(yuan)因(yin)。如果N-MOS做开关，G级电压要比电源高几V，才能完(wan)全导(dao)通，P-MOS则相反(fan)。没有完(wan)全打开而压降过大(da)造(zao)成功率消耗，等效直(zhi)流阻抗比较大(da)，压降增大(da)，所以U*I也(ye)(ye)增大(da)，损耗就意味着发热(re)。这是设计电路的(de)最忌讳(hui)的(de)错误；（本次(ci)产品(pin)测试问题点虽然(ran)不是出在(zai)(zai)电路设计上，但(dan)BOM做错比设计错误往(wang)往(wang)更难分(fen)析）

2、频(pin)率太高，主要是有时过分追求体积，导(dao)致频(pin)率提高，MOS管上的(de)损耗增大了，所以发热也(ye)加大了；

3、没有做(zuo)好足够(gou)的(de)散(san)热设计(ji)，电流(liu)太高，MOS管标(biao)称的(de)电流(liu)值，一(yi)般需要良好的(de)散(san)热才能达到。所以ID小于最(zui)大(da)电流(liu)，也可能发(fa)热严(yan)重，需要足够(gou)的(de)辅助散(san)热片；

4、MOS管(guan)的选(xuan)型有(you)误，对功(gong)率判断(duan)有(you)误，MOS管(guan)内阻没有(you)充分考虑，导致开关阻抗增大。

总结二：MOS管工作状态分析

MOS管工作状(zhuang)态有四种，开通过程、导通状(zhuang)态、关断过程，截止状(zhuang)态；

MOS管(guan)主(zhu)要(yao)损(sun)耗：开(kai)关损(sun)耗，导通损(sun)耗，截止损(sun)耗，还有雪崩能量(liang)损(sun)耗，开(kai)关

损耗(hao)往往大于后者；

MOS管主要损坏原因：过(guo)(guo)流（持续大电流或瞬间(jian)超大电流），过(guo)(guo)压（D-S，G-S被击穿），静电（个人认为可属于过(guo)(guo)压）；

总结三：MOS管工作过程分析

MOS管(guan)工作(zuo)过(guo)程非常复(fu)杂，里面变量(liang)很(hen)多，总之开关(guan)慢不容(rong)(rong)易导致米(mi)勒(le)(le)震荡（介绍米(mi)勒(le)(le)电(dian)容(rong)(rong)，米(mi)勒(le)(le)效应(ying)等，很(hen)详细），但开关(guan)损(sun)耗会(hui)加大，发热大；开关(guan)的速度(du)快(kuai)，损(sun)耗会(hui)减低，但是米(mi)勒(le)(le)震荡很(hen)厉害，反(fan)而会(hui)使损(sun)耗增加。驱动电(dian)路(lu)布线(xian)和主回路(lu)布线(xian)要求(qiu)很(hen)高，最(zui)终就是寻(xun)找一个(ge)平(ping)衡(heng)点，一般开通过(guo)程不超过(guo)1us；

总结四：MOS管的重要参数及选型

Qgs：栅极从0V充(chong)(chong)电(dian)到(dao)对应电(dian)流米勒(le)平台时(shi)总充(chong)(chong)入(ru)电(dian)荷，这(zhei)个时(shi)候(hou)给Cgs充(chong)(chong)电(dian)（相(xiang)当于Ciss，输入(ru)电(dian)容(rong)）；

Qgd：整个米(mi)勒(le)平台的总充电电荷（不(bu)一定比Qgs大，仅指(zhi)米(mi)勒(le)平台）；

Qg：总的充电电荷(he)，包含Qgs，Qgd，以及之(zhi)外的其它；

上述三个参(can)数(shu)的单(dan)位是nc（纳库），一(yi)般为几nc到几十(shi)nc；

Rds（on）：导通内阻(zu)，这个耐压一定(ding)情(qing)况下，越小损耗；

总的选型(xing)规则：Qgs、Qgd、Qg较小，Rds（on）也较小的管.

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