关于MOS管的条件
MOS晶体管的导通和关断由栅源电压控制。对于增强型MOS晶体管,N沟道晶体管通过施加直流电压而导通,P沟道晶体管施加反向电压。
一般2V~4V ~ 4 V就可以了。但MOS晶体管分为增强型(常开型)和耗尽型(常闭型)。增强型晶体管需要通过施加电压来导通,而耗尽型晶体管已经处于导通状态,施加栅源电压使其截止。
开关只有通断两种状态,三极管和MOS管工作在三种状态1、关断,2、线性放大,3、饱和(基极电流继续增大但集电极电流不再增大)。
使晶体管只工作在1和3状态的电路称为开关电路,一般晶体管关断,集电极不吸电流表示关断;当晶体管饱和,发射极和集电极的电压差接近0V时,就意味着导通。
当开关用于数字电路时,当输出电位接近0V时表示0,当输出电位接近电源电压时表示1。所以数字集成电路内部的晶体管都工作在开关状态。
MOS晶体管导通过程
导通顺序可分为to ~ t1、 t1 ~ t2、 T2 ~ T3、t3~t4四个时期,等效电路不同。
1.t0-t1: cgs1开始充电,栅极电压未达到V GS(th),导电沟道未形成,MOSFET仍处于截止状态。
2.在[T1-T2]期间,GS之间的电压达到Vgs(th),DS之间的导电通道开始形成,MOSFET导通,DS电流增加到ID,Cgs2快速充电,Vgs从Vgs(th)到VA呈指数增加
3.在区间[T2-T3]内,MOSFET的DS电压下降到与Vgs相同的电平,产生米勒效应。Cgd电容大大增加,栅极电流不断流动。由于C gd电容的急剧增加,抑制了栅极电压对Cgs的充电,使得Vgs近乎水平,Cgd电容上的电压增加,而DS电容上的电压保持下降。
4.在区间[t3-t4]内,直到t3,MOSFET的DS电压下降到饱和导通时的电压,密勒效应减小,Cgd电容变小,与Cgs电容一起被外部驱动电压充电,Cgs电容电压上升直到t4。此时C gs电容的电压已经达到稳态,DS之间的电压也是最小,MOSFET完全导通。
MOS管的特性曲线如图1所示;MOS管的饱和区又称为恒流区和放大区。
MOS管处于可变电阻区;s是常数;和idvds近似是线性的;不同的Vgs值对应不同的曲线斜率;也就是说,漏极d和源极s之间的电阻值Rds由Vgs控制。
图1
MOS管导通过程中的电压-电流曲线如图2所示;其中Vgs曲线有著名的(臭名昭著的)米勒平台;也就是说,Vgs在一定时间内(t3-t2)保持不变。
图2
MOS管是压控器件;MOS管从关断到导通的过程中需要电流(电荷);原因是MOS管两极之间存在寄生电容Cgd客户团体和信用违约互换;如图3所示。
MOS晶体管在Vgs电压至少达到阈值电压Vgs(th)的条件下导通;它是通过用栅极电荷给Cgs电容充电来实现的。当MOS管完全导通时,不需要提供电流;意思是压力控制。
这三个寄生电容参数值在MOS管的规范中一般是Ciss给出了Cos和Crss形式;对应关系为:Cgd=CrssCDs=Coss-Crss;Cgs=Ciss-Crss .
图3
MOS管的规格中一般有如图5所示的栅极充电曲线;它解释了为什么Vgs电压有米勒平台。
Vgs最初随着栅极电荷的增加而增加;但是当Vgs增加到米勒平台电压Vp时;即使栅极电荷继续增加;Vgs也保持不变;因为增加的栅极电荷用于对Cgd电容器充电。
因此;MOS管理板有相应的qg;Qgd和Qg的电荷参数;如图6所示。
当MOS管关断时;漏极电压对Cg充电
可以看出,米勒平台时间与电容Cgd成正比;在通信设备行业中,-48V电源的慢启动电路往往在MOS管的栅极和漏极之间并联一个大电容;通过延长米勒平台时间来达到电压慢启动的目的。
图5
图6
MOS管损耗分析
MOS管损耗主要包括开关损耗(导通损耗和关断损耗;参数Cgd(Crss))、栅极驱动损耗(参数Qg)和传导损耗(参数Rds(on))等。
以图10所示的同步降压拓扑为例。由于高端开关管Q1和低端同步管Q2构成半桥结构;以防止输入电路因两个MOS管同时导通而短路;因此,对于两个MOS晶体管的驱动信号将存在死区时间;也就是说,两个MOS晶体管都被关断。
在死寂的时候;因为电感的电流可以突然改变;因此,同步管Q2的寄生二极管将率先导通以实现续流。
因为体二极管导通;驱动同步管Q2导通;在忽略二极管压降的情况下;同步管Q2开通时,两端电压为0;可视为0电压导通;同步管Q2开启后;两端电压为0,直至关断;因此,零电压也被关闭。
因此;同步管Q2基本没有开关损耗;这意味着对于同步管的选择;功耗主要取决于与导通电阻RDS(on)相关的导通损耗;开关损耗可以忽略不计;因此,没有必要考虑栅极电荷Qg。
而高端开关Q1在导通和关断时不为零电压;因此,应结合传导损耗和开关损耗来考虑。
所谓开关损耗,是指MOS晶体管导通和关断的过程;并且电压和电流不为零;有动力损失。
从MOS管的导通过程可以知道;开关损耗主要集中在t1~t3期间。
米勒平台时间与MOS管的寄生电容Crss成正比。它在MOS晶体管的开关损耗中所占的比例最大。因此,米勒电容Crss和相应的Qgd在MOS晶体管的开关损耗中起主导作用。
传导损耗:
Q1管:P(HO)=D(IO 2RDS(ON)1.3);
Q2管:P(LO)=(1-D)(IO 2RDS(ON)1.3);
1.3的系数主要是考虑到MOS管的导通电阻会随着温度的升高而增大。
栅极驱动损耗:
PGC=nVCCQgfSW;
n代表MOS管的数量;当MOS管选择相同时;FSW代表开关频率;
栅极的驱动损耗主要发生在功率控制芯片上;而不在MOS管上;但其大小与MOS管的参数有关。
开关损耗:
PSW=0.5VinIo(tr TF)fSW;
系数为0.5是因为MOS管的导电曲线被视为近似线性;换算面积功率;系数为0.5;Vin是输入电压;Io为输出电流;Tr tf是MOS管的上升时间和下降时间;
指漏源电压从90%下降到10%,漏源电压从10%上升到90%的时间。可以近似视为米勒平台的持续时间;即图3中的(t3-t2)。
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