MOS基本原理及驱动技术

MOS结构以及驱动技术1MOS场效应管基本知识2基本数学方程3LC暂态过程4MOS数学模型N型半导体多余电子磷原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子——自由电子少数载流子——空穴++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对一、MOS场效应管基本知识在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴硼原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对P型半导体MOS场效应管BJT是一种电流控制元件(iB~iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道FET分类：绝缘栅场效应管结型场效应管场效应管（FieldEffectTransistor简称FET）是一种电压控制器件(uGS~iD)，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。绝缘栅场效应三极管金属氧化物半导体场效应管(MetalOxideSemiconductorFET)，简称MOSFET。分为：增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道1.N沟道增强型MOS管（1）结构4个电极：漏极D，源极S，栅极G和衬底B。----gsdb符号：----N++NP衬底sgdb源极栅极漏极衬底当uGS＞0V时→纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥→耗尽层。（2）工作原理当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。再增加uGS→纵向电场↑→将P区少子电子聚集到P区表面→形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。①栅源电压uGS的控制作用---P衬底sgN+bdVDD二氧化硅+N---s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid2.N沟道耗尽型MOSFET特点：当uGS=0时，就有沟道，加入uDS，就有iD。当uGS＞0时，沟道增宽，iD进一步增加。当uGS＜0时，沟道变窄，iD减小。在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。定义：夹断电压（UP）——沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。----g漏极s+N衬底P衬底源极d栅极bN++++++++++++----sbgd3.场效应管的主要参数(1)开启电压UTUT是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。（2）夹断电压UPUP是MOS耗尽型和结型FET的参数，当uGS=UP时,漏极电流为零。（3）饱和漏极电流IDSSMOS耗尽型和结型FET,当uGS=0时所对应的漏极电流。（4）输入电阻RGS结型场效应管，RGS大于107Ω，MOS场效应管,RGS可达109～1015Ω。（5）低频跨导gmgm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子)。（6）最大漏极功耗PDMPDM=UDSID，与双极型三极管的PCM相当。等效电路OFF，截止状态ON，导通状态小信号模型分析法在开关电源设计中，用高频模型分析二、基本数学方程xixeixsincos很伟大的一个公式！！RCtptcccKeKetuRCpRCpudtduRC)(1010基本的高数公式，一阶其次方程求解。带入初始条件，确定K值。RCtcceUtuUKUu000)()0(0)(dddddd01111ttexatxatxatxannnnnn0)(dddd01222ttexatxatxa二阶电路中有二个动态元件,描述电路的方程是二阶线性微分方程。一般LC电路就可以使用该方程求解。电路中有多个动态元件，描述电路的方程是高阶微分方程。三、R、L、C暂态过程1.RC电路的零输入响应iS(t=0)+–uRC+–uCR已知uC(0－)=U0uR=RituCiCdd0CRuu0)0(0ddUuutuRCCCC00teUuRCtc000teIeRURuiRCtRCtC2.RC电路的零状态响应iS(t=0)US+–uRC+–uCRuC(0－)=0+–SCCddUutuRCCCCuuu解答形式为：特解（强制分量）Cu的特解SCCddUutuRCSCUu通解（暂态分量）Cu的通解0ddCCutuRCRCtAeuC)0()1(SSSCteUeUUuRCtRCtRCteRUtuCiSCdd3.RL电路的零输入响应iLS(t=0)USL+–uLRR1+-01)0()0(IRRUiiSLL00ddLLtRitiL0)(00LteIeItitLRptRLtLLeRItiLtu/0)(ddtiLtuLLdd)(基本关系tuCtiCdd)(4.RL电路的零状态响应)1(SLtLReRUiiLS(t=0)US+–uRL+–uLR+—SLLUiRtiLddLLLiiiRUiSLA0)0(tLRLAeRUiStLReUtiLuSLLddteftf)](f)0([)(f)(三要素法分析一阶电路5.二阶电路的响应零输入响应：初始状态电容上有电压，放电过程。零状态响应：初始状态电容上无电压，充电过程。初始：uC(0+)=U0i(0+)=0以电容电压为变量：电路方程：以电感电流为变量：RLC+-iuc0CLuuRitiLutuCiLCdddd02CCCutuRCtuLCdddd02itiRCtiLCdddd012RCPLCP特征方程：零输入响应：初始状态电容上有电压，放电过程。零状态响应的三种情况过阻尼临界阻尼欠阻尼特征根：LCLRLRLCLRRP1)2(22/422二个不等负实根2CLR二个相等负实根2CLR二个共轭复根2CLR2121CttppeAeAu2)1(CLR0210C)0(UAAUu02211)0(APAPtuCdd0121201221UPPPAUPPPA)(2112120ttCPePPePPPUu)()(21120CttcpepePPLUtuCidd)()(2121120ttLpePpePPPUtiLuddU0uctm2tmuLicuc的解答形式：经常写为：)sin(tAeutC共轭复根2)2(CLRLCLRLRP1)2(222,1(谐振角频率)(衰减系数),令120LCLR：220(固有振荡角频率)jP)(21)(2121tjtjttptpCeAeAeeAeAu0cossin)(0)0(sin)0(00AAdtduUAUuCC由初始条件)sin(00teUutC)sin(00teUutCarctgUA，sin0δωω0ω，ω０，δ的关系0sin00UA(谐振角频率)(衰减系数),令120LCLR：220(固有振荡角频率)222220fft-2-20U0uCiC零状态响应：初始状态电容上无电压，充电过程。uC(0－)=0,iL(0－)=0微分方程为：通解特解特解:特征方程为:RLC+-uCiLUS(t)+-CCCuuuS2ddddUutuRCtuLCCCC012RCPLCPSCUu)(2121S21pppeApeAUuttC)(2121SPPteAeAUuttC)()sin(21SjPtAeUutC、tuCUS0四、MOS数学模型MOS等效驱动电路模型：相当于一个二阶响应电路。L为PCB走线电感，根据他人经验其值为直走线1nH/mm，考虑其他走线因素，取L=Length+10（nH），其中Length单位取mm。Rg为栅极驱动电阻，设驱动信号为12V峰值的方波。Cgs为MOSFET栅源极电容，不同的管子及不同的驱动电压时会不一样，这儿取1nF。VL+VRg+VCgs=12V令驱动电流得到关于Cgs上的驱动电压微分方程：LC2t2()VCgstCt()VCgstR()VCgstVdr0拉普拉斯变换得到变换函数)1(2LCLsRsLCVdrGg不同实根时是个过阻尼震荡，有两个相同实根时是临界阻尼震荡，当有虚根时是欠阻尼震荡，此时会在MOSFET栅极产生上下震荡的波形，这是我们不希望看到的，因此栅极电阻Rg阻值的选择要使其工作在临界阻尼和过阻尼状态，考虑到参数误差实际上都是工作在过阻尼状态。)1(2LCLsRsLCsVdrGg二个不等负实根2CLR动态工作的时候MOS等效驱动电路模型：依然可以用二阶响应电路来分析。（1）LG和LG代表封装端到实际的栅极线路的电感和电阻。（2）C1代表从栅极到源端N+间的电容，它的值是由结构所固定的。（3）C2+C4代表从栅极到源极P区间的电容。C2是电介质电容，共值是固定的。而C4是由源极到漏极的耗尽区的大小决定，并随栅极电压的大小而改变。当栅极电压从0升到开启电压UGS（th）时，C4使整个栅源电容增加10%～15%。（4）C3+C5是由一个固定大小的电介质电容和一个可变电容构成，当漏极电压改变极性时，其可变电容值变得相当大。（5）C6是随漏极电压变换的漏源电容。栅极电荷QG是使栅极电压从0升到10V所需的栅极电荷，它可以表示为驱动电流值与开通时间之积或栅极电容值与栅极电压之积。现在大部分MOS管的栅极电荷QG值从几十纳库仑到一、两百纳库仑。栅极电荷QG包含了两个部分：栅极到源极电荷QGS；栅极到漏极电荷QGD—即“Miller”电荷。QGS是使栅极电压从0升到门限值（约3V）所需电荷；QGD是漏极电压下降时克服“Miller”效应所需电荷，这存在于UGS曲线比较平坦的第二段，此时栅极电压不变、栅极电荷积聚而漏极电压急聚下降，也就是在这时候需要驱动尖峰电流限。实际的QG还可以略大，以减小等效RON，但是太大也无益，所以10V到12V的驱动电压是比较合理的。在尾部需要一个高的尖峰电流以减小MOS管损耗和转换时间。栅极电荷QG和驱动效果的关系)}(]5.2[{2)(]5.2[2)()()()(thGDDossMDthGissondthGDDossMDthGissGondGUUCgIUCtIUUCgIUCQtIQ栅极尖峰电流Id的计算：电荷必须完全满足开关时期的寄生电容所需。实际栅极平均电流IP的计算tuCdtdUCic其中C是MOS驱动等效电容Δu是驱动电压Δt是驱动电压上升时间)0()1(SSSCteUeUUuRCtRCt综合前面分析：可以看到当Rg比较小时驱动电压上冲会比较高，震荡比较多，L越大越明显，此时会对MOSFET及其他器件性能产生影响。但是阻值过大时驱动波形上升比较慢，当MOSFET有较大电流通过时会有不利影响。当L比较小时，驱动电流的峰值比较大，而一般IC的驱动电流输出能力都是有一定限制的，当实际驱动电流达到IC输出的最大值时，此时IC输出相当于一个恒流源，对Cgs线性充电，驱动电压波形的上升率会变慢。此时由于电流不变，电感不起作用。这样可能会对IC的可靠性产生影响，电压波形上升段可能会产生一个小的台阶或毛刺。在选择驱动芯片的时候，需要计算驱动的电流、电压，以及内阻。特别是用图腾柱来作为MOS的推导级的时候，还需要考虑导通的时候电源内阻，三极管导通内阻，会不会在瞬间MOS电流充电的时候发生压降。总之在MOS驱动设计的时候需