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        從實用的角度聊聊MOS管

        2021-12-30 | 來源:?本站
        說起MOS管,有些人的腦子里可能是一團漿糊。



        大部分的教材都會告訴你長長的一段話:MOS管全稱金屬氧化半導體場效應晶體管,英文名Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,屬于絕緣柵極場效晶體管,以硅片為秤體,利用擴散工藝制作.......有N溝道和P溝道兩個型。不僅如此,它還有兩個兄弟,分別是結型場效應管以及晶體場效應管.......

        面對這么大一段話,我不知道你有沒有搞明白,反正我大學里是完全沒有搞明白,學了一個學期就學了個寂寞。

        那么,為什么這些教材要這么的反人類,他們難道就不能好好寫說人話嗎?

        我大概分析了一下,因為同一本教材他需要面對不同專業的學生,所以教材最重要的是嚴謹。和全面相比是不是通俗易懂就沒有那么重要了。而且一般的教材也不會告訴你學了有什么用,這就導致了在學習中你很容易迷失在這些概念中,抓不到重點。

        那本文呢,我想根據自己的工作學習經歷,拋開書本上這些教條的框架,從應用側出發來給大家介紹一下MOS管里面最常見的,也是最容易使用的一種:增強型NMOS管,簡稱NMOS。當你熟悉了這個NMOS的使用之后,再回過頭去看這個教材上的內容,我相信就會有不同的體會了。

        NMOS的用法

        首先來看這么一張簡單的圖(圖1),我們可以用手去控制這個開關的開合,以此來控制這個燈光的亮滅。

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        圖1

        那如果我們想要用Arduino或者單片機去控制這個燈泡的話,就需要使用MOS管來替換掉這個開關了。為了更加符合我們工程的實際使用習慣呢,我們需要把這張圖稍微轉換一下,就像如圖2這樣子。

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        圖2

        那這兩張圖是完全等價的,我們可以看到MOS管是有三個端口,也就是有三個引腳,分別是GATE、DRAIN和SOURCE。至于為啥這么叫并不重要,只要記住他們分別簡稱G、D、S就可以。


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        圖3

        我們把單片機的一個IO口接到MOS管的gate端口,就可以控制這個燈泡的亮滅了。當然別忘了供電。當這個單片機的IO口輸出為高的時候,NMOS就等效為這個被閉合的開關,指示燈光就會被打開;那輸出為低的時候呢,這個NMOS就等效為這個開關被松開了,那此時這個燈光就被關閉,是不很簡單。

        那如果我們不停的切換這個開關,那燈光就會閃爍。如果切換的這個速度再快一點,因為人眼的視覺暫留效應,燈光就不閃爍了。此時我們還能通過調節這個開關的時間來調光,這就是所謂的PWM波調光,以上就是MOS管最經典的用法,它實現了單片機的IO口控制一個功率器件。當然你完全可以把燈泡替換成其他的器件。器件比如說像水泵、電機、電磁鐵這樣的東西。

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        圖4:PWM波調光

        如何選擇NMOS

        明白了NMOS的用法之后呢,我們來看一下要如何選擇一個合適的NMOS,也就是NMOS是如何選型的。

        那對于一個初學者來說,有四個比較重要的參數需要來關注一下。第一個是封裝,第二個是Vgs(th),第三個是Rds(on)上,第四個是Cgs。

        封裝比較簡單,它指的就是一個MOS管這個外形和尺寸的種類也有很多。一般來說封裝越大,它能承受的電流也就越大。為了搞明白另外三個參數呢,我們先要來介紹一下NMOS的等效模型。



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        圖5:NMOS等效模型


        MOS其實可以看成是一個由電壓控制的電阻。這個電壓指的是G、S的電壓差,電阻指的是D、S之間的電阻。這個電阻的大小會隨著G、S電壓的變化而變化。當然它們不是線性對應的關系,實際的關系差不多像這樣的,橫坐標是G、S電壓差。


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        圖6:Rds與Vgs關系圖


        縱坐標是電阻的值,當G、S的電壓小于一個特定值的時候呢,電阻基本上是無窮大的。然后這個電壓值大于這個特定值的時候,電阻就接近于零,至于說等于這個值的時候會怎么樣,我們先不用管這個臨界的電壓值,我們稱之為Vgs(th),也就是打開MOS管需要的G、S電壓,這是每一個MOS管的固有屬性,我們可以在MOS管的數據手冊里面找到它。


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        圖7:MOS管數據手冊


        顯然,Vgs(th)一定要小于這個高電平的電壓值,否則就沒有辦法被正常的打開。所以在你選擇這個MOS管的時候,如果你的高電平是對應的5V,那么選3V左右的Vgs(th)是比較合適的。太小的話會因為干擾而誤觸發,太大的話又打不開這個MOS管。


        接下來,我們再來看看NMOS的第二個重要參數Rdson,剛才有提到NMOS被完全打開的時候,它的電阻接近于零。但是無論多小,它總歸是有一個電阻值的,這就是所謂的Rds(on)。它指的是NMOS被完全打開之后,D、S之間的電阻值。同樣的你也可以在數據手冊上找到它。這個電阻值當然是越小越好。越小的話呢,它分壓分的少,而且發熱也相對比較低。但實際情況一般Rds(on)越小,這個NMOS的價格就越高,而且一般對應的體積也會比較大。所以還是要量力而行,選擇恰好合適。


        最后說一下Cgs,這個是比較容易被忽視的一個參數,它指的是G跟S之間的寄生電容。所有的NMOS都有,這是一個制造工藝的問題,沒有辦法被避免。


        那它會影響到NMOS打開速度,因為加載到gate端的電壓,首先要給這個電容先充電,這就導致了G、S的電壓并不能一下子到達給定的一個數值。


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        圖8


        它有一個爬升的過程。當然因為Cgs比較小,所以一般情況下我們感覺不到它的存在。但是當我們把這個時間刻度放大的時候,我們就可以發現這個上升的過程了。對于這個高速的PWM波控制場景是致命的。當PWM波的周期接近于這個爬升時間時,這個波形就會失真。一般來說Cgs大小和Rds(on)是成反比的關系。Rds(on)越小,Cgs就越大。所以大家要注意平衡他們之間的關系。


        以上就是關于NMOS大家需要初步掌握的知識了,希望能對大家有所幫助。

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