MOS管开关电路图 MOS管开关电路设计

在设计MOS管开关电路时，就要充分了解MOS管的工作原理。下面咱们来详细说明。

MOS管的工作区域

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。

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。

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平以打开器件，因此灯负载要么“打开”，（VGS= ve），要么处于将器件“关闭”的零电压电平，（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。

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，当开关变为低电平时，MOS管变为“ON”，当开关变为高电平时，MOS管变为“OFF”。