MOS管开关电路的工作原理和功耗计算

时间:2023-07-03作者:佚名

在设计MOS管开关电路时,就要充分了解MOS管的工作原理。在我上一篇文章中,有详细地讲解MOS管的工作原理。大家可以点下面这个标题直接进入,这里就简单地提一下。

MOS管工作原理详解

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。

MOS管开关电路的工作原理和功耗计算

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。

MOS管开关电路的工作原理和功耗计算

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(píng)以打开器件,因此灯负载要么“打开”,(VGS= ve),要么处于将器件“关闭”的零电压电(píng),(VGS = 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管开关电路的工作原理和功耗计算

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 ( RDS(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:

MOS管开关电路的工作原理和功耗计算

MOS开关电路电流计算公式

那么MOS管中消耗的功率将为:

MOS管开关电路的工作原理和功耗计算

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。

MOS管开关电路的工作原理和功耗计算

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 VDD。然后,当开关变为低电(píng)时,MOS管变为“ON”,当开关变为高电(píng)时,MOS管变为“OFF”。

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