MOS管开关原理以及深入解析，值得你收藏

什么是MOS管?它有什么作用?MOS管可以说是工程师最熟悉的器件之一，不过MOS管我们天天见，但是不乏一些刚入行的工程师、甚至是少数行业老手对于MOS的基础理论的掌握不是很牢固，所以专门写一篇文章为大家总结一下MOS的开关原理和基础知识。

一般来说，普遍用于高端驱动的 MOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压，而高端驱动的 MOS 管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同，所以这时栅极电压要比 VCC 大 4V 或 10V。如果在同一个系统里，要得到比 VCC 大的电压，就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动 MOS 管。

MOS 管是电压驱动，按理说只要栅极电压到到开启电压就能导通 DS，栅极串多大电阻均能导通。但如果要求开关频率较高时，栅对地或 VCC 可以看做是一个电容，对于一个电容来说，串的电阻越大，栅极达到导通电压时间越长，MOS 处于半导通状态时间也越长，在半导通状态内阻较大，发热也会增大，极易损坏 MOS，所以高频时栅极栅极串的电阻不但要小，一般要加前置驱动电路的。

下面我们先来了解一下

MOS 管开关的基础知识

No.1 MOS 管种类和结构

MOSFET 管是 FET 的一种(另一种是 JFET)，可以被制造成增强型或耗尽型，P 沟道或 N 沟道共 4 种类型，但实际应用的只有增强型的 N 沟道 MOS 管和增强型的 P 沟道 MOS 管，所以通常提到 NMOS，或者 PMOS 指的就是这两种。对于这两种增强型 MOS 管，比较常用的是 NMOS —— 原因是导通电阻小，且容易制造，所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用 NMOS。

MOS 管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍。在 MOS 管的漏极和源极之间有一个寄生二极管，这个叫体二极管，在驱动感性负载(如马达)，这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的 MOS 管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。

No.2 MOS 管导通特性

导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。

NMOS 的特性，Vgs 大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况(低端驱动)，只要栅极电压达到 4V 或 10V 就可以了。PMOS 的特性，Vgs 小于一定的值就会导通，适合用于源极接 VCC 时的情况(高端驱动)。

但是，虽然 PMOS 可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用 NMOS。

No.3 MOS 开关管损失

不管是 NMOS 还是 PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的 MOS 管会减小导通损耗。现在的小功率 MOS 管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。

MOS 在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS 两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS 管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，损失也越大。

导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失;降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

No.4 MOS 管驱动

跟双极性晶体管相比，一般认为使 MOS 管导通不需要电流，只要 GS 电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。

在 MOS 管的结构中可以看到，在 GS 和 GD 之间存在寄生电容，而 MOS 管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择 / 设计 MOS 管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。

而在进行 MOSFET 的选择时，因为 MOSFET 有两大类型：N 沟道和 P 沟道。在功率系统中，MOSFET 可被看成电气开关。当在 N 沟道 MOSFET 的栅极和源极间加上正电压时，其开关导通。导通时，电流可经开关从漏极流向源极。漏极和源极之间存在一个内阻，称为导通电阻 RDS(ON)。

必须清楚 MOSFET 的栅极是个高阻抗端，因此，总是要在栅极加上一个电压，这就是后面介绍电路图中栅极所接电阻至地。如果栅极为悬空，器件将不能按设计意图工作，并可能在不恰当的时刻导通或关闭，导致系统产生潜在的功率损耗。当源极和栅极间的电压为零时，开关关闭，而电流停止通过器件。虽然这时器件已经关闭，但仍然有微小电流存在，这称之为漏电流，即 IDSS。

第一步：选用 N 沟道还是 P 沟道

为设计选择正确器件的第一步是决定采用 N 沟道还是 P 沟道 MOSFET。在典型的功率应用中，当一个 MOSFET 接地，而负载连接到干线电压上时，该 MOSFET 就构成了低压侧开关。在低压侧开关中，应采用 N 沟道 MOSFET，这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。

当 MOSFET 连接到总线及负载接地时，就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用 P 沟道 MOSFET，这也是出于对电压驱动的考虑。

第二步：确定额定电流

第二步是选择 MOSFET 的额定电流，视电路结构而定，该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似，设计人员必须确保所选的 MOSFET 能承受这个额定电流，即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰。

在连续导通模式下，MOSFET 处于稳态，此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件，一旦确定了这些条件下的最大电流，只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。

选好额定电流后，还必须计算导通损耗。在实际情况下，MOSFET 并不是理想的器件，因为在导电过程中会有电能损耗，这称之为导通损耗。MOSFET 在“导通”时就像一个可变电阻，由器件的 RDS(ON)所确定，并随温度而显着变化。

器件的功率耗损可由 Iload2×RDS(ON)计算，由于导通电阻随温度变化，因此功率耗损也会随之按比例变化。对 MOSFET 施加的电压 VGS 越高，RDS(ON)就会越小，反之 RDS(ON)就会越高。

对系统设计人员来说，这就是取决于系统电压而需要折中权衡的地方。对便携式设计来说，采用较低的电压比较容易(较为普遍)，而对于工业设计，可采用较高的电压。注意 RDS(ON)电阻会随着电流轻微上升，关于 RDS(ON)电阻的各种电气参数变化可在制造商提供的技术资料表中查到。

第三步：确定热要求

选择 MOSFET 的下一步是计算系统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况，即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果，因为这个结果提供更大的安全余量，能确保系统不会失效。在 MOSFET 的资料表上还有一些需要注意的测量数据，比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻，以及最大的结温。

器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积(结温=最大环境温度+[热阻×功率耗散])，根据这个方程可解出系统的最大功率耗散，即按定义相等于 I2×RDS(ON)。由于设计人员已确定将要通过器件的最大电流，因此可以计算出不同温度下的 RDS(ON)。值得注意的是，在处理简单热模型时，设计人员还必须考虑半导体结 / 器件外壳及外壳 / 环境的热容量，即要求印刷电路板和封装不会立即升温。

通常，一个 PMOS 管，会有寄生的二极管存在，该二极管的作用是防止源漏端反接，对于 PMOS 而言，比起 NMOS 的优势在于它的开启电压可以为 0,而 DS 电压之间电压相差不大，而 NMOS 的导通条件要求 VGS 要大于阈值，这将导致控制电压必然大于所需的电压，会出现不必要的麻烦。

选用 PMOS 作为控制开关，有下面两种应用：

1

由 PMOS 来进行电压的选择，当 V8V 存在时，此时电压全部由 V8V 提供，将 PMOS 关闭，VBAT 不提供电压给 VSIN，而当 V8V 为低时，VSIN 由 8V 供电。注意 R120 的接地，该电阻能将栅极电压稳定地拉低，确保 PMOS 的正常开启，这也是前文所描述的栅极高阻抗所带来的状态隐患。D9 和 D10 的作用在于防止电压的倒灌。D9 可以省略。这里要注意到实际上该电路的 DS 接反，这样由附生二极管导通导致了开关管的功能不能达到，实际应用要注意。

2

来看这个电路，控制信号 PGC 控制 V4.2 是否给 P_GPRS 供电。此电路中，源漏两端没有接反，R110 与 R113 存在的意义在于 R110 控制栅极电流不至于过大，R113 控制栅极的常态，将 R113 上拉为高，截至 PMOS，同时也可以看作是对控制信号的上拉。当 MCU 内部管脚并没有上拉时，即输出为开漏时，并不能驱动 PMOS 关闭，此时，就需要外部电压给予的上拉，所以电阻 R113 起到了两个作用。R110 可以更小，到 100 欧姆也可。

No.5 MOS 管的开关特性

静态特性

MOS 管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。由于 MOS 管是电压控制元件，所以主要由栅源电压 uGS 决定其工作状态。

工作特性如下：

uGS 开启电压 UT：MOS 管工作在截止区，漏源电流 iDS 基本为 0，输出电压 uDS≈UDD，MOS 管处于“断开”状态，其等效电路如下图所示。

uGS>开启电压 UT：MOS 管工作在导通区，漏源电流 iDS=UDD/(RD+rDS)。其中，rDS 为 MOS 管导通时的漏源电阻。输出电压 UDS=UDD·rDS/(RD+rDS)，如果 rDS《RD，则 uDS≈0V，MOS 管处于“接通”状态，其等效电路如上图(c)所示。

动态特性

MOS 管在导通与截止两种状态发生转换时同样存在过渡过程，但其动态特性主要取决于与电路有关的杂散电容充、放电所需的时间，而管子本身导通和截止时电荷积累和消散的时间是很小的。下图分别给出了一个 NMOS 管组成的电路及其动态特性示意图。

NMOS 管动态特性示意图

当输入电压 ui 由高变低，MOS 管由导通状态转换为截止状态时，电源 UDD 通过 RD 向杂散电容 CL 充电，充电时间常数τ1=RDCL，所以，输出电压 uo 要通过一定延时才由低电平变为高电平。

当输入电压 ui 由低变高，MOS 管由截止状态转换为导通状态时，杂散电容 CL 上的电荷通过 rDS 进行放电，其放电时间常数τ2≈rDSCL。可见，输出电压 Uo 也要经过一定延时才能转变成低电平。但因为 rDS 比 RD 小得多，所以，由截止到导通的转换时间比由导通到截止的转换时间要短。

由于 MOS 管导通时的漏源电阻 rDS 比晶体三极管的饱和电阻 rCES 要大得多，漏极外接电阻 RD 也比晶体管集电极电阻 RC 大，所以，MOS 管的充、放电时间较长，使 MOS 管的开关速度比晶体三极管的开关速度低。不过，在 CMOS 电路中，由于充电电路和放电电路都是低阻电路，因此，其充、放电过程都比较快，从而使 CMOS 电路有较高的开关速度。以上就是MOS管的原理解析，希望能给大家帮助。