MOSFET, MOS管, 开关管笔记


MOSFET, MOS管, 开关管

MOSFET, Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 金属氧化物半导体场效晶体管

常见封装

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电路符号

MOSFET 的三端标记分别为 G, S, D(Gate, Source, Drain), 电路符号有多种形式, 最常见的如下图所示, 以一条垂直线代表沟道(Channel), 两条和沟道平行的接线代表源极(Source)与漏极(Drain), 左方和沟道垂直的接线代表栅极(Gate). 有时也会将代表沟道的直线以虚线代替, 以区分增强型(enhancement mode)MOSFET 或是耗尽型(depletion mode)MOSFET.

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MOSFET 用途

MOSFET 和三极管的区别在于, MOSFET 主要不是用于放大信号, 而是用来控制电路通断. 当Gate和Source之间的电压满足条件,Drain和Source之间就导通, 电流大小由Gate, Source和Drain三极间的电压决定. 因为 MOSFET 是对称结构, 所以 Source 和 Drain 无区别, 可以互换.

耗尽型(Depletion Mode)与增强型(Enhancement Mode)

主要区别在于

  1. 耗尽型在 Gate 不加电压, 即栅极电压为0时有导电沟道存在, 而增强型只有在开启后才会出现导电沟道.
  2. 控制方式也不一样, 耗尽型的栅极电压 Vgs 可以用正,零,负电压控制导通, 增强型必须使 Vgs > Vth(栅极阈值电压) 才行.

耗尽型MOS管在实际应用中, 设备开机时可能会误触发MOS管, 导致整机失控, 所以在实际应用中使用较少. 大功率MOS管以增强型为主, 只有在中小功率产品中包含耗尽型. 常规开关电源以及类似正电压导通做开关作用的场合均为增强型, 有些放大电路, 逆变电路还有些高频电路中选择耗尽型.

常规选型以增强型为主,特定场合如需要负电压开启,开关速度需求过高,用作信号放大等等特定场合才用耗尽型

P-Channel MOSFET和 N-Channel MOSFET

常用的 MOSFET 分 PMOS 和 NMOS 两种. 在MOS中,有两种载流子,电子和空穴, 分别代表N和P, NMOS的载流子是电子, PMOS的载流子是空穴.

  • NMOS: 箭头朝内, Gate需要加正电压(可以形象理解为顶回箭头)才能导通, 电流从 Drain 流向 Source.
  • PMOS: 箭头朝外, Gate需要加负电压(可以形象理解为拉回箭头)才能导通, 电流从 Sourc 流向 Drain.

使用上的区别

  • NMOS是 Vg 高电平导通, 用来控制与 GND 之间的导通, Source一般接 GND. 在电路中属于下位控制
  • PMOS是 Vg 低电平导通, 用来控制与 VCC 之间的导通, Source一般接 VCC. 在电路上属于上位控制

使用 MOSFET 作为电路开关

N-Channel MOSFET 开关

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在这个电路中, NMOS管用作灯的开关. 当G端高电平时灯接通, 当G端处于零电平时灯断开. 如果不是灯这样的电阻性负载, 而是线圈, 继电器这种电感性负载, 需要一个"续流二极管"与负载并联以保护MOSFET被反电压击穿.

P-Channel MOSFET 开关

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在某些应用中 我们需要使用PMOS管. 这时候负载接地, MOSFET开关连接在负载和VCC供电之间, 作为高位开关, 就像使用PNP三极管一样. 在PMOS管中, 施加负的Vgs电压来导通. PMOS 是倒置的, 其Source 连接到正电源VCC, 当 Gate 端电压变低时导通, 当 Gate 端电压变高时关断.

互补MOS 电机控制器

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PMOS管的这种倒置连接允许其与NMOS管串联形成一个互补器件. 这两个MOS管从双电源产生双向开关, 电机连接在公共的Drain极连接和接地参考之间.

  • 当输入为低电平时, PMOS开启, NMOS关断, 电机朝正方向旋转, 只有正+VDD供电.
  • 当输入为高电平时, PMOS关断, NMOS导通, 电机朝反方向旋转, 由负-VDD供电.
  • PMOS 用于切换电机正向正电源(高位控制), 而NMOS 用于切换电机反向负电源(低位控制).
  • 为避免两个MOS管在双电源的两个极性上同时导通, 需要在一个"关断"和另一个"导通"之间留时间差, 解决这个问题的一种方法是分别驱动两个MOS管的Gate, 当两个MOS管都关断时, 这就产生了电机的第三个选项“停止”.

常用小功率 MOS 管

  • 型号 类型 最大电压, 最大电流, Vth阈值电压, 连通电阻
  • SI2301 P-MOS, 20V, 2.8A, 0.45V - 0.9V, 120mΩ - 150mΩ
  • SI2302 N-MOS, 20V, 3.0A, 0.65V - 1.2V, 55mΩ - 100mΩ
  • AO3401 P-MOS, 30V, 4.2A, 0.7V - 1.3V, 42mΩ - 120mΩ
  • AO3402 N-MOS, 30V, 4.0A, 0.6V - 1.7V, 45mΩ - 110mΩ

参考阅读

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