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关于MOS管参数分析以及研发常用电路设计

发表时间:2024-04-25   访问量:

.图中1给我们展示了器件的封装为SOT23封装;

.图中2中为N沟道的原理图符号,N沟道MOS管有3个极,分别是G(栅极),S(源极),D(漏极);注意箭头方向是从S指向G,同时内部有个体二极管,方向和箭头指向一致;

.图中3给我们标注了引脚序号对应的三个极,这个画封装焊盘和器件原理图符号就是根据这个来画的;图中4在器件实物表面丝印有2302字样,便于我们区分;

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下面是在常温下测试的极限参数:

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.VDS = 20V,表示DS之间加载电压差最大不超过20V;

.VGS = ±8V,表示在GS之间电压差最大不超过8V,最小不超过-8V;

.ID = 2.1A,表示该MOS管漏极持续电流最大不超过2.1A;

.Is = 0.6A,表示通过栅极和源极之间的通道产生的电流为0.6A;

.PD = 0.35W,表示该MOS管额定功率是0.35W;这个和三极管一样都会受温度升高而降低,所以选型还是降额选取;

下面我们主要关注标注的3点内容:

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1.VGS(th)表示N沟道MOS管的导通阈值,图中表示该MOS管的导通阈值在0.95V左右;这个是低阈值MOS管,好处是低电压即可驱动;

2. RDS(on)表示MOS管导通时,DS之间的阻抗大小;

3. Ciss为输入电容,Coss为输出电容,Crss为反向传输电容,这个怎么理解,我们举个例子:

我们看下图中三个极间电容:则有

输入电容Ciss = Cgd +Cgs;

输出电容Coss = Cds +Cgd;

Crss = Cgd ;Crss也叫米勒电容,米勒电容为啥会叫这个名字咧?我们知道MOS管有个比较有名的效应,即米勒效应,就是这个电容影响的结果;

即我们前端输入电压给Cgs充电时,当Cgs两端电压小于阈值电压,MOS管关闭;

当Cgs两端电压开始大于阈值电压时,ID电流从0迅速增大,同时当进入米勒平台效应时,VGS电压将保持不变,不再上升,此时VGS部分电流从米勒电容支路流失,待米勒效应过后,VGS继续上升到驱动电压;

为什么介绍这个米勒效应,因为米勒效应增加了导通时间,即额外增加了MOS管的损耗;这个我们注意一下

MOS管的损耗有3部分构成:

1. 导通损耗;

2. 开启损耗;

3. 关断损耗;

最后总结下选型要求:

1. 根据我们驱动目标要求和结构空间大小确认封装;

2. 根据目标整体电流,确定额定功率;

3. 根据电路中电源电压确认目标MOS管阈值大小;

4. 根据成本要求,确认最终品牌;

N-MOS管在设计电路时可以类比三极管:

1. 基极要加限流电阻,以免MOS管栅极被大电流损坏;

2. 基极要加下拉电阻,确定MOS管闲置时处于关闭状态;

3. NMOS管导通条件,在GS两端电压差要大于阈值电压;

4. NMOS管GS不具有钳位功能,基极电压只受R2和R3分压影响;

5. NMOS管是电压控制元件;

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.这个电路也叫开漏输出电路,我们经常在MCU中看到有的引脚是开漏输出,即只能输出低电平,因为漏极没有接电压;

.我们再看下PMOS管应用电路;

.1. 我们记住PMOS管开启条件和NMOS相反,即VS - VG > 阈值电压;

.2. 当输入低电平时,PMOS管开启,漏极输出5V;

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.我们在研发产品时,有很多基于干电池的产品,在低功耗设计时,就可以考虑P管来控制电源的开关:

.1.当VCC是我们干电池电压时,MCU是3.3V供电;我们就可以用PMOS管来控制电源供给,当输入高时,PMOS关闭;当输入低时,PMOS开启;

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.那如果我们产品是基于锂电池,那么这个PMOS管电路还能用么?

.我们MCU高电平是3.3V,锂电池充满电压是4.2V;依然有个1V左右压差,PMOS在这种情况下会导通;

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我们知道PMOS是输入低电平,使VSG压差大于阈值电压,让其导通;前面NMOS我们说过开漏输出低,我们把2个电路结合下;

1. 当我们前端电压输入低,Q1栅极被R3下拉到地,Q1关闭,Q3栅极被R5上拉到高,Q3关闭;

2. 当前端输入高,Q1导通,Q3栅极从高变低,Q3导通,VCC从Q3漏极输出;

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此电路优点:

1. 输入高,输出高;输入低,无输出;此为正逻辑,便于分析控制电路;

2. 无论VCC是多少,我们这个电路都适用;

我们在研发产品时,我们为了保证产品的可靠性,我们会设计电源防反电路;这是为了防止电源错插,插反导致主板烧毁;为了防止这种情况的发生,我们在源头增加了这一道程序;

我们来看:

1.在小电流场景下,我们一般可以用二极管来做防反电路,利用二极管的单项导电性;

下面左图中电源正接,电源经过D1,R5到地构成一个完整回路,而右图中电源反接,由于二极管单向导电,没有回路,因此截止;

为啥只能在小电流场景下,大电流下二极管电压降大,功率就大,发热就厉害;

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2.我们来看NMOS管

我们知道NMOS管是GS压差大于开启电压才能导通,我们怎么利用电源?

如下图1,2中,2种电路在电源正接时均可以实现12V输出;那么是不是2种电路均可以适用?

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我们之前说过,额外加载电路不能对原来电路造成影响,即反接的话也要对原来电路没影响才对;我们看:

在反接仿真时可以明显看出,左图输出接近0V,即无输出;右图中依然有输出,而且是负输出;

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对于上述电路我们要注意,肯定有人会疑惑,NMOS管不是VGS电压大于阈值电压才开启么,上面右图怎么有输出咧,我们要注意MOS管还有个体二极管,这个二极管正向也会导通的;

上述电路我们优化下:

1. NMOS管栅极要做限流处理;

2. VGS电压不能超过手册中最大电压,还要留有余量,所以栅极电压我们做分压处理;

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对于上述电路,我们将大电源电压分压成小电压给栅极,再在R4旁并联一个6V的稳压管,保证NMOS管的可靠性;

2.对于PMOS,我们类比NMOS管设计:

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