MOS管導通條件

MOS管的導通與截止由柵源電壓來控制，對于增強型MOS管來說，N溝道的管子加正向電壓即導通，P溝道的管子則加反向電壓。

一般2V～4V就可以了。但是，MOS管分為增強型（常開型）和耗盡型（常閉型），增強型的管子是需要加電壓才能導通的，而耗盡型管子本來就處于導通狀態(tài)，加柵源電壓是為了使其截止。

開關(guān)只有兩種狀態(tài)通和斷，三極管和MOS管工作有三種狀態(tài)，1、截止，2、線性放大，3、飽和（基極電流繼續(xù)增加而集電極電流不再增加）。

使晶體管只工作在1和3狀態(tài)的電路稱之為開關(guān)電路，一般以晶體管截止，集電極不吸收電流表示關(guān)；以晶體管飽和，發(fā)射極和集電極之間的電壓差接近于0V時表示開。

開關(guān)電路用于數(shù)字電路時，輸出電位接近0V時表示0，輸出電位接近電源電壓時表示1。所以數(shù)字集成電路內(nèi)部的晶體管都工作在開關(guān)狀態(tài)。

MOS管導通過程

導通時序可分為to~t1、t1~t2、 t2~t3 、t3~t4四個時間段，這四個時間段有不同的等效電路。

1. t0-t1：C GS1 開始充電，柵極電壓還沒有到達V GS（th），導電溝道沒有形成，MOSFET仍處于關(guān)閉狀態(tài)。

2. [t1-t2]區(qū)間, GS間電壓到達Vgs（th），DS間導電溝道開始形成，MOSFET開啟，DS電流增加到ID, Cgs2 迅速充電，Vgs由Vgs（th）指數(shù)增長到Va。

3. [t2-t3]區(qū)間,MOSFET的DS電壓降至與Vgs相同,產(chǎn)生Millier效應，Cgd電容大大增加,柵極電流持續(xù)流過，由于C gd 電容急劇增大，抑制了柵極電壓對Cgs 的充電,從而使得Vgs 近乎水平狀態(tài)，Cgd 電容上電壓增加,而DS電容上的電壓繼續(xù)減小。

4. [t3-t4]區(qū)間,至t3時刻,MOSFET的DS電壓降至飽和導通時的電壓,Millier效應影響變小，Cgd 電容變小并和Cgs 電容一起由外部驅(qū)動電壓充電, Cgs 電容的電壓上升,至t4時刻為止.此時C gs 電容電壓已達穩(wěn)態(tài),DS間電壓也達最小，MOSFET完全開啟。

MOS管的特性曲線如圖1所示;其中MOS管的飽和區(qū)也稱為恒流區(qū)、放大區(qū)。

MOS管在可變電阻區(qū)內(nèi);Vgs一定時;Id和Vds近似為線性關(guān)系;不同Vgs值對應不同的曲線斜率;即漏極D和源極S之間的電阻值Rds受控于Vgs。

圖1

MOS管導通過程中的各電壓電流曲線如圖2所示;其中Vgs曲線有著名(臭名昭著)的米勒平臺;即Vgs在某段時間(t3-t2)內(nèi)保持不變。

圖2

MOS管是壓控器件;MOS管在從關(guān)斷到導通的過程是需要電流（電荷）的;原因是因為MOS管各極之間存在寄生電容Cgd;Cgs和Cds;如圖3所示。

MOS管導通條件是Vgs電壓至少達到閾值電壓Vgs(th);其通過柵極電荷對Cgs電容充電實現(xiàn);當MOS管完全導通后就不需要提供電流了;即壓控的意思。

這三個寄生電容參數(shù)值在MOS管的規(guī)格書中一般是以Ciss;Coss和Crss形式給出;其對應關(guān)系為;Cgd=Crss;Cds=Coss-Crss;Cgs=Ciss-Crss。

圖3

在MOS管的規(guī)格書上一般還有如圖5所示的柵極充電曲線;其解釋了為何Vgs電壓會有米勒平臺。

Vgs一開始隨著柵極電荷的增加而增加;但是當Vgs增加到米勒平臺電壓大小Vp時;即使柵極電荷繼續(xù)增加;Vgs也保持不變;因為增加的柵極電荷被用來給Cgd電容進行充電。

因此;MOS管會有對應的Qgs;Qgd和Qg電荷參數(shù);如圖6所示。

在MOS管截止時;漏極電壓對Cgd充電;Cgd的電壓極性是上正下負;當MOS管進入米勒平臺后;大部分的柵極電荷用來對Cgd進行充電;但是極性與漏極充電相反;即下正上負;因此也可理解為對Cgd反向放電;最終使得Vgd電壓由負變正;結(jié)束米勒平臺進入可變電阻區(qū)。

米勒平臺時間內(nèi);Vds開始下降;米勒平臺的持續(xù)時間即為Vds電壓從最大值下降到最小值的時間。

由此可見米勒平臺時間與電容Cgd大小成正比;在通信設備行業(yè)中-48V電源的緩啟動電路經(jīng)常在MOS管柵漏極間并聯(lián)一個較大的電容;以延長米勒平臺時間來達到電壓緩啟動的目的。

圖5

圖6

MOS管損耗分析

MOS管損耗主要有開關(guān)損耗（開通損耗和關(guān)斷損耗;關(guān)注參數(shù)Cgd(Crss)）、柵極驅(qū)動損耗（關(guān)注參數(shù)Qg）和導通損耗(關(guān)注參數(shù)Rds(on))等。

以如圖10所示的同步BUCK拓撲為例進行說明;由于高側(cè)的開關(guān)管Q1和低側(cè)的同步管Q2組成一個半橋結(jié)構(gòu);為了防止兩個MOS管同時導通而使輸入回路短路;因此兩個MOS管的驅(qū)動信號會存在一個死區(qū)時間;即兩個MOS管都關(guān)斷。

在死區(qū)時間內(nèi);由于電感的電流不能突變;因此同步管Q2的寄生體二極管將率先導通進行續(xù)流。

正是由于體二極管導通后;同步管Q2才被驅(qū)動導通;在忽略二極管壓降的情況下;同步管Q2導通時兩端電壓為0;可以看作是0電壓導通;同步管Q2導通后;其兩端電壓為0直至關(guān)斷;因此也是0電壓關(guān)斷。

因此;同步管Q2基本沒有開關(guān)損耗;這意味著對于同步管的選取;功耗主要取決于與導通電阻RDS(on)相關(guān)的導通損耗;而開關(guān)損耗可以忽略不計;因此不必考慮柵極電荷Qg。

而高側(cè)的開關(guān)管Q1由于開通和關(guān)閉時都不是0電壓;因此要基于導通損耗和開關(guān)損耗綜合來考慮。

所謂開關(guān)損耗是指MOS管在開通和關(guān)斷過程中;電壓和電流不為0;存在功率損耗。

由前述MOS管導通過程可知;開關(guān)損耗主要集中在t1~t3時間段內(nèi)。

而米勒平臺時間和MOS管寄生電容Crss成正比;其在MOS管的開關(guān)損耗中所占比例最大;因此米勒電容Crss及所對應的Qgd在MOS管的開關(guān)損耗中起主導作用。

導通損耗：

Q1管：P(HO) = D × (IO 2 × RDS(ON) × 1.3);

Q2管：P(LO) = (1 - D) × (IO 2 × RDS(ON) × 1.3);

系數(shù)1.3主要是考慮MOS管的導通電阻會隨著溫度的升高而增加。

柵極驅(qū)動損耗：

PGC = n ×VCC × Qg × fSW;

n表示MOS管的個數(shù);MOS管選型相同時;;fSW表示開關(guān)頻率;

柵極驅(qū)動損耗主要是發(fā)生在電源控制芯片上;而非MOS管上;但是其大小與MOS管的參數(shù)有關(guān)。

開關(guān)損耗：

PSW = 0.5× Vin × Io × (tr + tf) × fSW;

系數(shù)0.5是因為將MOS管導通曲線看成是近似線性;折算成面積功率;系數(shù)就是0.5;Vin是輸入電壓;Io是輸出電流;tr和tf是MOS管的上升時間和下降時間;

分別指的是漏源電壓從90%下降到10%和漏源電壓從10%上升到90%的時間;可以近似看作米勒平臺的持續(xù)時間;即圖3中的(t3-t2)。

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