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-1-1MOS管的应用指南1.1MOS管的工作原理、特性参数1.1.1MOS管基本结构mos管是金属(metal)—氧化物(oxid)—半导体(semiconductor)场效应晶体管。或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体。场效应管的名字也来源于它的输入端（称为gate）通过投影一个电场在一个绝缘层上来影响流过晶体管的电流。事实上没有电流流过这个绝缘体，所以FET管的GATE电流非常小。最普通的FET用一薄层二氧化硅来作为GATE极下的绝缘体。这种晶体管称为金属氧化物半导体(MOS)晶体管，或，金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）。因为MOS管更小更省电，所以他们已经在很多应用场合取代了双极型晶体管。MOS管根据构造方式，可分为两种，分别是NMOS和PMOS，其结构如下图所示：4.1：NMOS和PMOS的结构图1.1.2增强型NMOS的工作原理现在我们一般使用的是增强型NMOS和增强型PMOS管，下面重点介绍增强型NMOS的结构和工作原理。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)（以NMOS为例，衬底的电势与源极相同，都是GND）。图4.2增强NMOS结构图-2-从图4.2可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅-源电压vGS=0时，即使加上漏-源电压vDS，而且无论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD≈0。若在栅-源极间加上正向电压，即vGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同时P衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图4.3所示。图4.3关断原理图vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图4.4所示。图4.4导通原理图vGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，用VT表示。由上述分析可知，N沟道增强型MOS管在vGS＜VT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当vGS≥VT时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加上正向电压vDS，才有漏极电流产生。而且vGS增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，iD增大。这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。1.2MOS管特性曲线和参数特性曲线和电流方程-3-图4.5NMOS的特性曲线N沟道增强型MOS管的输出特性曲线如图4.5a所示。与结型场效应管一样，其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。转移特性曲线如图4.5b所示，由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区(恒流区)，此时iD几乎不随vDS而变化（“饱和”就是iD相对于漏源电源vDS而言），即不同的vDS所对应的转移特性曲线几乎是重合的，所以可用vDS大于某一数值(vDS＞vGS-VT)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线，与结型场效应管相类似。在饱和区内，iD与vGS的近似关系式为式中IDO是vGS=2VT时的漏极电流iD。1.3MOS管的典型设计和应用1.3.1MOS管的典型设计目前公司的常用的两种MOS管型号是：N沟道的增强型MOS和P沟道的增强型MOS管，其主要应该用在电源控制，电机驱动等一些场合。1)用MOS管控制VCC和GND.+5VR111KON/OFFR121KVCC_CONTRLGND_CONTRLON/OFFG1IRLML2502TRPBFG2IRLML6401TRPBF图4.6电源控制该电路应用要注意下：控制电源需要用P-MOS管；控制GND需要用N-MOS管，使用中这两种型号的管子不能互换。该电路主要应用于一些低功耗的电源控制电路中；也可用于单板电源的上电时序控制。-4-2)驱动功率器件MOS管还广泛应用于功率器件的驱动电路中。如下图：+5VR131KON/OFFG3IRLML6401TRPBF+RLY2DSP1a-DC5V11685D6MMSD4148T1G图4.7功率驱动该电路是继电器驱动电路，因为驱动的负载是感性，所以负载两端反并续流二极管（感性负载在通断时，尤其是断开时会形成反向瞬时高压）。该电路可以驱动类似的负载，如电机、蜂鸣器。公司常用PMOS有IRLML6401（UT800人机板使用---3.3V电压等级）、AO3401（面板锁主板1101使用--24V电压等级）。公司常用NMOS有IRLML2502（VDS=20V），CSD17313Q2IRF640NPBF。3）大功率MOS管一般来说，针对大功率的MOS管，我们首先要考虑的是功率问题，因为在开关过程中，其必然有较大的开关损耗。导通损耗较小，计算如下，IDS为导通电流，乘以导通电阻RDS(ON)120mΩ(VGS=-2.5V)。-5-图4.8反激电源中的MOS管。这类MOS在应用时需要注意以下几点：1.最高耐压。在开关过程中，MOS管的两端需要承受高压，考虑到其他参数的波动可能，最高耐压至少要留150V以上；因为随着变压器温升变化，其漏感会变大，从而导致其开关过程中的反冲电压会更高，所以，该MOS管必须留有足够多的裕量。2.MOS要注意散热。因为反激电源中，开关损耗是最不能忽视的部分，必须给MOS管足够的散热空间，当散热能力不足的时候，会导致MOS管的温度升加剧，从而又增加了开关损耗，这是一个恶性循环过程。在参数已调至极限，器件不能更换情况下的解决办法是加散热片。3.在PCB设计时，需要采用单点共地的方式，在MOS管处共地，同时，变压器、吸收回路、开关管等器件布局需要紧凑，以减小寄生回路对开关过程的影响。1.3.2MOS管的应用要点我们可以对MOS管的使用做一个简单的小结：1.其应用场合主要是做开关作用。用于电源或地的开通或关断。在这种小功率的应用场合，一般可以不考虑散热问题。2.驱动功率器件。主要是用于一些功率器件的驱动，如继电器、蜂鸣器等驱动。3.作为大功率的开关管。在这种使用情况下需要主要两个极限参数，一是耐压问题；二是散热问题。4.MOS管是静电敏感器件，我们在使用过程中，需要尽可能做一些防静电设计保护电路，以提高其防静电能力；我们在PCB布局的时候，尽可能将MOS管布置在不易被人触摸的地方，以防止其被静电损坏。除了上述问题外，还有以下应用要点：功率MOS管功率MOS管的降额主要是峰值电压VDS、工作电流和结温等的降额MOS在使用MOS管进行电路设计时，要充分考虑大部分MOS管中源级和漏级之间的反向保护二极管对电路的影响.MOS管散热对于内部电源板上发热量大的MOS管，应采用铝型材散热器加导热硅胶的设计以直接接触方式散热。对于MOS管外壳不能接地的情况，用绝缘导热垫片隔离，用导热硅脂散热。MOS管MOS管栅极要串连电阻，防止过流和电路振荡。MOS管栅极电阻一般应小于100欧~1K。MOS管任何时候MOS管栅极都不能悬空。