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

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.

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

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

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

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

三极管配合 PMOS 管控制电路开关

下面的电路适用于烧录下载STC MCU. STC MCU在烧录时, 需要断电重置后才能进入烧录状态, 通常是用手按开关比较繁琐. 如果利用STC-ISP在烧录开始时会拉低RTS的特性, 可以实现烧录开始时自动断电复位.

电路和仿真结果

以下电路使用LTspice模拟. V2 为方波, 电压[0, 3.3V], 宽度1.5s

以下为模拟输出, 绿色为三极管基极电压, 红色为MOS管栅极(Gate)电压, 蓝色为负载(R1)两端电压.

对电路中元件的说明:

• V2: 用于模拟开关的通断, MCU的高低电平
• C1: 这个电容用于短时拉低三极管基极电压, 关闭三极管. C1值取值在1uF - 4.7uF之间, 值越小输出的截止时间越短, 值越大截止时间越长
• C2: 是为了压制方波上行时造成的高电平毛刺, 不能太大, 取值 0.5uF - 1uF 即可
• R4: 延长C1的充放电时间, 不能太小, 太小的话方波上升沿对C1叠加的电压太高会造成输出截止, 也不能太大, 太大的话输出截止时间太短, 最后可能就完全没有截止动作, 取值在 3K - 8K 之间
• R3: 为了给三极管基极提供电压使其导通
• R2和R6: 用于三极管限流和分压, 如果V1和V2没有压差, R6可以不要. 但是当V2小于V1时, 需要用R6将三极管的基极电压往上抬一点, 否则V2的下降沿会产生比较高的负电压.
• R1: 模拟负载

电路的工作原理:

• 稳定工作时, 因为C1等价于断路, 所以三极管的基极电压为正, 三极管导通, 电流在R2和R6之间产生的分压, 使得PMOS管栅极电压差不多是1/2的V1, 因为栅极(Gate)电压低于源极(Source), PMOS管导通
• 当V2跳变为0V(可以等价为短路, 合上开关等), 电压突变时, C1视为通路, 立刻拉低三极管基极电压, 此时三极管断开, PMOS管栅极电压拉高到VCC, 因为与源极电压相等, PMOS管关闭
• C1通过R3和R4充电后, 进入新的稳态, 等价于断路, 三极管的基极电压恢复为正, 三极管重新导通, R2和R6的分压再次拉低PMOS管栅极电压, PMOS管再次导通
• 当V2再次跳变回3.3V, 电压突变时, C1视为通路, 正电压叠加到C1上在三极管基极产生高于V2的电压(模拟中如果R3, R4较小, 可能会高出V1, 高出V1会导致PMOS管截止, 这种情况要避免), 只要三极管基极电压不高于V1, PMOS会继续保持导通

电路中V2可以换成一个微动开关, 或者用RTS控制, 实现在通讯前拉低RTS重启MCU.

测试电路原型

使用面包板对上面的电路进行测试

• MOS管使用SI2301, SOT23封装, 用一个SOT89的转接板凑合应付
• 三极管使用SS8050
• 因为没有2.2uF的电容, 暂时用一个4.7uF的电容代替
• 负载用两颗LED方便演示
• 用杜邦线手工切换高低电平

测试的情况:

• 因为2.2uF换成了4.75uF导致反向的电动势增大, 所以在输入端高低电平为[0, 3.3V]时工作正常, 但是在[0, 5V], 从低电平跳到高电平时LED有一个明显的闪烁, 反向的毛刺太高导致了MOS管出现通断变化. 将R2减小为5K, 拉低栅极电压基准, 这样在[0, 3.3V]和[0, 5V]都工作正常了.
• 同样电路, 仅替换SS8050为S9013, 运行结果一样.

测试视频: https://www.bilibili.com/video/BV19Y411F7CX

参考阅读

• https://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_7.html
• https://www.electronicshub.org/mosfet-as-a-switch/