MOS场管原理、作用及组成电路

一、MOS管原理、作用与选型

1、原理

2、热阻与损耗

3、电容

4、开关时间

5、选型

1）选用N沟道还是P沟道 2）确定额定电压、电流 3）确定热要求 4）决定开关性能

6、应用介绍

1）MOS管导通电流方向 2）MOS管体二极可过多大电流 3）应用场合

二、MOS管驱动电路

1、直接驱动MOS

2、图腾柱电路增强驱动

3、驱动电路加速MOS管关断时间

4、隔离驱动

三、电平的双向转换

1、电平转换方式一

2、电平转换方式二

1）空闲状态 2）3.3V转5V 3）5V转3.3V

四、电源通断控制与信号切换

1、电源通断控制

2、信号切换

五、电源软开启

六、电源防反接

附录1、半导体

1、半导体的导电原理

2、P型半导体和N型半导体的形成

3、PN结的形成

4、电子元件-三极管/MOS/IGBT

------------------------------------------------------------------------------------------------------

一、场效应管原理与作用

1、原理

MOS管是由一大群小MOS在硅片上并联的大规模集成功率开关。每个小MOS叫胞，每个胞的电流并不大，只有百毫安级。设计师采用蚂蚁捍树的办法，多数量MOS并联，达到开关大电流。也就是同样大小硅片和耐压下，胞越多，允许电流越大，得益于多胞结构。MOS的寄生二极管拥有耐受电压击穿的能力，即所谓的雪崩耐量。

在数据表中，以EAR（可重复雪崩耐量）和EAS（单次雪崩耐量）表示。它表征了MOS抗电压（过压）冲击的能力。因此，许多小功率反激电源可以不用RCD吸收，MOS自己吸收就够了。

用在过压比较严重的场合，这点要千万注意啊！大的雪崩耐受力，能提高系统的可靠性！MOS的这个能力和电压，终身不会改变！

每个胞的原理结构如图示，红色指示MOS开关的沟道，蓝色是寄生的体二极管。

导通过程详细分析：

在电场力的作用下，P型区靠近绝缘层下方的多数载流子空穴将被排斥，远离绝缘层，而少数载流子自由电子(如图蓝色圆球)被吸引到绝缘层下，同时两个N型区的多数载流子也被吸引到栅极区域绝缘层下。这样在电子层下方，由于缺少载流子而形成耗尽层，而紧靠绝缘层下方累积了电子层。因为电子是带负电荷的载流子，所以是N型层。相对于P型衬底，它也称为反型层。这个反型层实际就是漏极和源极之间的导电沟道，它将漏极和源极连通了。导电沟道是在电场力作用下形成的，所以也称为感生沟道。如下面的两张图所示。

平时MOS关断。当栅上加正压时，在邻近栅的位置，会吸引许多电子。这样，邻近的P型半导体就变成了N型，形成了连接两个N区的通道(N沟道)，MOS就通了。显然，MOS的耐压越高，沟道越长，电阻越大。这就是高压MOS的Rdson大的原因；反之P沟MOS也是一样的，不再赘述。所以，功率MOS常被等效为：

MOS是实实在在的物质构成的，里面有导体/半导体/绝缘体。这些物质的相互搭配，做成了MOS。那么，任何两个绝缘的导体，自然构成了物理电容——寄生电容。Cgd+Cgs=Ciss——输入电容，Coss——输出电容。

虽然都是电容，可是，有着本质的区别。Cgd/Cds的绝缘层里有PN结！Cgs里基本没这东西！Cgd/Cds容量大小是变的！而且，变得还很变态！所以，Cgd/Cds在理论上存在，在数据表中也有所列。在微变等效中也可以作为参量计算分析，但也仅在线性放大里的微变等效分析中有所使用。在开关过程的工程分析中，变态的变化导致只能用电荷量这个值来衡量。Qgd就是Cdg储存的电荷量(弥勒电荷)，Qds是Cds储存电荷量。

下面分析这些电荷在开/关状态下，是如何影响MOS工作的。MOS静态关断时，Cgd/Cgs充电状态如图示：

栅电压为零，Qgs=0。Qgd被充满，Vgd=Vds。注：由于Cds通常和其它杂散电容并联在一起，共同对电源施加影响，因此这里暂时不做分析。

给MOS的栅极施加正脉冲。

由于Cgd在承受正压时，电容量非常小(Cgd虽然小，但是Qgd=Cgd*Ugd，Qgd仍然是很大的)，Cgs远大于Cgd。因此脉冲初期，驱动脉冲主要为Cgs充电，直到MOS开始开启为止。开启时，MOS的栅电压就是门槛电压Vth。电流越大，Cgs充电速度越快，场管的切换速度越快，比如在开关电源的应用中。故栅极电阻选择小电阻，Vgs电压高，是有利的。

大多数情况下，栅电压达到Vth前，只有很小的电流流过MOS。MOS一直处于关断状态。

当MOS栅电压达到Vth，MOS开始导电。无论负载在漏极还是在源极，都将因有电流流过而承受部分或全部电压。这样MOS将经历由阻断状态时承受全部电压逐渐变到短路而几乎没有电压降落为止的过程。

这个过程中，Cgd同步经历了放电过程。放电电流为I=Qgd/ton。

Igd——密勒电流分流了MOS的驱动电流！使得MOS的栅电压上升变缓。

弥勒电荷越大，这个斜坡越长。弥勒电荷不仅和器件有关还和漏极电压有关。一般电压越高，电荷量越大。

栅极驱动理解：

Qgs从0电荷开始到第一个拐点处，Qgd是从第一个拐点到第二个拐点之间部分（也叫做“米勒”电荷），Qg是从0点到VGS等于一个特定的驱动电压的部分。

漏电流和漏源电压的变化对栅电荷值影响比较小，而且栅电荷不随温度的变化。测试条件是规定好的。栅电荷的曲线图体现在数据表中，包括固定漏电流和变化漏源电压情况下所对应的栅电荷变化曲线。在图中平台电压VGS(pl)随着电流的增大增加的比较小（随着电流的降低也会降低）。平台电压也正比于阈值电压，所以不同的阈值电压将会产生不同的平台电压。

导通电阻、阈值电压与温度的关系：

不管是NMOS还是PMOS，导通电阻Rdson都随着温度的升高而增大，阈值电压绝对值都随温度的升高而降低。

如上图Rdson测试条件是Id=50A，Vgs=10V。25℃时最大值为0.95mΩ。

可能有这样的疑问：因通过电流，Id值不同Rdson又会有其他值。这个不必担心，下图Note 4有注解，是在极短脉冲条件下测试。

MOS管的导通电阻与其中的载流子迁移率有关，载流子迁移率越慢，导通电阻越大。更深层次的个人理解移步：电子元件-电阻之二、电阻率与温度系数之3、材料温度升高电阻变大的微观解释。基于这个特性，并联的MOS可以实现自动均流。

-----------------------------------------------------

2、热阻与损耗

热阻，英文Thermal Resistance，指的是当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值，单位℃/W或K/W。

半导体散热的三个途径，封装顶部到空气，封装底部到电路板，封装引脚到电路板。

结到空气环境的热阻RθJA = (Tj-Ta)/Pd 式①

其中Tj为芯片结温，Ta为芯片环境温度，如下图所示。Pd为功率损耗。

那么一个芯片结温的估计值通过式①推导：Tj=Ta+RθJA*Pd 式②

一些其他的热阻参数如下：

结到封装外壳的热阻RθJC=(Tj-Tc)/Pd，Tj=Tc+RθJC*Pd 式③

一般而言是到封装顶部的热阻，所以RθJC=RθJT。

结到PCB的热阻RθJB=(Tj-Tb)/Pd。Tj=Tb+RθJB*Pd 式④

RθJA参数综合了Die大小、封装方式、填充材料、封装材料、引脚设计、外部散热片和外部电路板的属性多个因素，综合来讲RθJA和所用的器件以及PCB设计有关。RθJC和RθJB这2个参数是表征芯片和封装本身的，不会随着芯片封装外部环境的改变而改变。关于RθJA、RθJB、RθJC、RθJT详细的描述移步：https://zhuanlan.zhihu.com/p/588602719。

举例来说，当Rohm的NMOS管RE1C001UN(规格书)工作在最大功率150mW，那么结面到空气的温度就是：150mW/1000*833℃/W≈125℃，芯片结温就是125℃+25℃(如下图红色框Ta)=150℃。

Power dissipation：功率损耗，如下图Pd。指的是NMOS消耗功率不能超过150mW，否则可能损坏MOS管。

Junction temperature：结温，结面温度，如下图Tj。指的是NMOS最高结温不能超过150℃。

Thermal resistance：如下的833℃/W指的是NMOS结面相对于环境温度的热阻是833℃/W，假如器件消耗的功率是1W，那温升就是833℃。

---------------------------

FDBL9403-F085T6-D规格书截图：

推荐以Tj的最高容许温度的80%为基准来进行热量设计，估值计算如下。

本处不考虑散热措施，按最坏情况计算。忽略开关损耗，仅计算导通损耗，MOS管最大电流@特定温度：https://download.csdn.net/download/liht_1634/87612881。

---------------------------

Q=I^2Rt，P=I^2R=W/t，故 Q=W=Pt，其中P发热功率、t工作时间、Q其他形式能转化成的热量(内能)。

故导通与截止过程时间越短，比如上图中的tf，tf越陡峭其开关损耗越小，开关频率越高其损耗越大。另外由于导通时Rdson电阻上有导通损耗，截止时的漏电流也有损耗(可忽略不计)。

MOS总损耗=开关损耗+导通损耗，损耗越大温升越大，在开关电源中每升高10℃系统可靠性下降1倍。

-----------------------------------------------------

3、电容

输入电容Ciss，指的是DS短接，用交流信号测得的GS之间的电容，Ciss由GS电容和GD电容并联而成，即Ciss=Cgs+Cgd，当输入电容充电至阈值电压，MOS管才打开，放电至一定的值，MOS管才关闭，所以Ciss和MOS管的开启关闭时间有很大的关系。

输出电容Coss，指的是GS短接，用交流信号测得的DS之间的电容，Coss由GD电容和DS电容并联而成，即Coss=Cgd+Cds。

反向传输电容Crss，指的是S接地，GD之间的电容，即Crss=Cgd。

MOS管关闭下，Cgs要比Cgd大得多，Cgd=1.7pF，那Cgs=7.1pF-1.7pF=5.4pF。

从规格书给的图看，3个电容的大小和DS电压有很大关系，尤其是Coss和Crss。

有些MOS管规格书中还有如下的Qg、Qgs、Ggd，指的是充满这些电容所需要的电荷数，所需要的充电电荷数越少，MOS管开关速度就越快。

MOS管关闭下，Cgs要比Cgd大的多，但是发现Qgd比Qgs大得多，这是受到米勒电容的影响。

两种MOS输入电容对比：

参照以上两图，对比下输入结电容和输出结电容，2400PF与6800PF，780PF与2200PF；一看就知道第一个规格是快管，第二个是慢管，这时候决定开关速度还要与驱动电阻匹配。

-----------------------------------------------------

4、开关时间

最左边绿色部分，ID和UD几乎不变，因为这时候UGS没有上升到阈值电压，MOS管是关闭状态，把UGS从0增大到阈值电压前这段时间叫Turn-on delay time。紧接着紫色部分，当UGS上升到阈值电压后，随着UGS再继续增大，ID也逐渐增大，UD逐渐减小，直到ID到最大值，UD到最小值，这段时间叫Rise time。

同理，MOS管在关闭时，UGS没有下降到阈值电压，ID和UD都是不变的，把UGS下降到阈值电压前这段时间叫Turn-off delay time，随着UGS逐渐减小，ID减小到最小值，UD增大到最大值，这段时间叫Fall time。

当MOS管用在对开关速度有要求的电路中，可能会因为MOS管的开关时间过慢，导致通信失败。

-----------------------------------------------------

5、选型

1）选用N沟道还是P沟道

高边驱动，低边驱动。

在汽车上的应用移步：汽车电子知识汇总之五、电子元件选型之3、汽车应用MOS管的高边与低边驱动。

---------------------------

2）确定额定电压、电流

必须确定漏极至源极间可能承受的最大电压Vds。知道MOS能承受的最大电压会随温度而变化这点十分重要。额定电压必须有足够的余量覆盖这个变化范围，确保电路不会失效。设计工程师需要考虑的其他安全因素包括由开关电子设备（如电机或变压器）诱发的电压瞬变。

必须确保所选的MOS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，MOS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。

选好额定电流后，还必须计算导通损耗。在实际情况下，MOS并不是理想的器件，因为在导电过程中会有导通损耗。MOS在“导通”时就像一个可变电阻，由器件的Rdson所确定。器件的功率耗损可由I^2×Rdson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MOS施加的电压Vgs越高，Rdson就会越小。注意Rdson电阻会随着电流轻微上升。

---------------------------

3）确定热要求

计算系统的散热要求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MOS规格书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=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I^2×Rdson。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Rdson。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。

雪崩击穿是指半导体器件上的反向电压超过最大值，并形成强电场使器件内电流增加。该电流将耗散功率，使器件的温度升高，而且有可能损坏器件。

---------------------------

4）决定开关性能

最重要的是Cgd、Cgs及Cds。这些电容会在器件中产生开关损耗，因为在每次开关时都要对它们充电。为计算开关过程中器件的总损耗，设计人员必须计算开通过程中的损耗（Eon）和关闭过程中的损耗（Eoff）。MOS开关的总功率可用如下方程表达：Psw=(Eon+Eoff)*开关频率。栅极电荷Qgd对开关性能的影响最大。

-----------------------------------------------------

6、应用介绍

1）MOS管导通电流方向

我们在最开始学习MOS管的时候，应该都是从NMOS开始的，电流的方向都是从D到S的。

实际应用电路，NMOS会有电流从S到D的情况，比如下面这个NMOS管防电源反接电路（仅仅是个示意图，实际电路需要多考虑一些因素）。

原理：

电源正极VCC经过后级负载电路接到体二极管，那么体二极管就会导通，于是此时S极的电压就约为0.7V左右（体二极管导通电压）。

同时栅极G极接的是VCC，所以Vgs=Vcc-0.7V>Vgsth，NMOS管会导通。NMOS管导通之后，导通压降基本为0，那么Vgs=Vcc，MOS管维持导通状态。

这样整体电源通路就是通的，电源给后级负载供上了电，后级电路正常工作。

这里有一点需要特别注意，就是此时MOS管的电流是S到D的，与往常我们经常见的D到S是反的。

栅极G接电源负极，也就是0V，S极经过负载接到了电源负极，也就是0V，所以Vgs=0V，MOS管也不导通。

与此同时， D极为Vcc，S极为0V，体二极管反向偏置，也不导通，所以无法通过NMOS管流过电流。对于负载来说，就是电源断开了。

接反的电源不会对到后面的负载上面，所以后级电路就不会烧了，我们只要把前面的电源正负极接对，那么后级电路又能正常工作了，如此，便实现了防反接的功能。

总结：实际使用时我们往往需要考虑的是体二极管的方向，D到S还是S到D都可以。

---------------------------

2）MOS管体二极可过多大电流

应该都知道上面这是个buck电路吧，下管是NMOS管，在上管断开，下管导通的时候，电感的电流来源于下管。

也就是说，下管NMOS的电流方向是从S到D的，也就是反着流，并且这个电流可以是很大的，因为电感的电流是可以比较大的，跟负载有关。

除此之外，我们也知道，BUCK在开关切换的时候，会存在死区时间（上管和下管都不导通的时候）。而电感的电流是不能断的，死区时间电感的电流就是走的下管的体二极管。

又因为电感的电流取决于负载电流，是可以到几安培的，所以说下管的体二极管的电流也是可以很大的。英飞凌的NMOS管BSC059N04LS6，里面有详细介绍体二极管的过流能力，包括持续和瞬间的电流。

从上表直接可以看到，体二极管的持续电流是可以到38A，脉冲电流是可以到236A的，同时，也可以看到，二极管最大导通电压是1V。

可能会有些诧异，这个二极管持续电流能到38A这么大？

实际应用自然是到不了，我们需要注意上面是有个条件，那就是Tc=25℃的，c是case，也就是外壳保持25℃情况下的。

我们实际应用中，如果不加特别的散热措施，肯定是没法保证这个MOS外壳是这个温度，自然也就不能持续通过38A的电流。

不过这也无关紧要，我们仅仅是看这个参数的意义，想知道它是怎么来的。我们再看看手册里面的功耗限制。

可以看到，在Tc=25℃时，功耗限制是38W，前面知道导通电压是1V，电流限制是38A，正好功耗限制等于电压乘以电流，这也太巧了。所以，体二极管能通过的电流就是根据功耗限制。

同时，我们看到，在Ta=25℃，功耗限制是3W，这个Ta就是环境温度了，这个与实际使用情况应该是更为接近的（不使用特别散热措施）。

如果用这个值计算，那么体二极管能持续通过的电流也就是3W/1V=3A左右，当然，这个是我的推测，手册里面没写。

到这里，至少我们应该知道了，体二极管还是能过比较大的电流的。

当然，还有一个问题，上面说的是持续的电流，必然还有瞬间电流的问题，瞬间电流能过多大呢？

这个问题反而更为重要一点，因为正常使用中，我们不会给MOS管的体二极管通过持续时间比较长的电流。如果有这个需要，我们直接让MOS管导通不就好了吗，功耗还能更低。

前面举例的BUCK中，体二极管也只是在死区时间才会有电流通过，这个时间是相当短暂的。

所以这个瞬间能过多大的电流反而更值得看一看。

我们还是看BSC059N04LS6的手册，因为它都直接标出来了。

这个管子导通电流可以到59A，在10us时间内能通过的电流是236A，而体二极管也是236A，二者是相同的，而且都很大，也就是说体二极管的瞬间电流根本就不会成为使用的瓶颈。

也许这就是为什么我们很少去关注MOS管的体二极管的电流，只看MOS管导通电流够不够大。

---------------------------

3）应用场合

MOS管在笔记本电脑主板中应用广泛，可参看HP1213TX图纸内的相关电路；汽车电子中也有大量应用，比如车身控制模块BCM（车灯与车窗电机的控制）。

P44电源隔离电路

仿真电路见MOS场效应管--控制-嵌入式文档类资源-CSDN下载。应用电路的列举介绍如下。

------------------------------------------------------------------------------------------------------

二、MOS管驱动电路

1、直接驱动MOS

图 2.1.1 IC直接驱动MOS

电源IC直接驱动是我们最常用的驱动方式，同时也是最简单的驱动方式，使用这种驱动方式，应该注意几个参数以及这些参数的影响。①查看一下电源IC手册，其最大驱动峰值电流，因为不同芯片，驱动能力很多时候不一样。②了解一下MOS的寄生电容，如图 2.1中C1、C2的值。如果C1、C2的值比较大，MOS管导通的需要的能量就比较大，若电源IC没有比较大的驱动峰值电流，那么管子导通的速度就比较慢。若驱动能力不足，上升沿可能出现高频振荡，即使把图 2.1中Rg减小，也不能解决问题！ IC驱动能力、MOS寄生电容大小、MOS管开关速度等因素，都影响驱动电阻阻值的选择，所以Rg并不能无限减小。

-----------------------------------------------------

2、图腾柱电路增强驱动

如果选择MOS管寄生电容比较大，电源IC内部的驱动能力又不足时，需要在驱动电路上增强驱动能力，常使用图腾柱电路增加电源IC驱动能力，其电路如图2.2.1虚线框所示。

图2.2.1 图腾柱驱动MOS

在很多驱动芯片里非常常见，如下图。

图腾柱由NPN+NPN构成，上管前级有个非门。

这种驱动电路作用在于，提升电流提供能力，迅速完成对于栅极输入电容电荷的充电过程。这种拓扑增加了导通所需要的时间，但是减少了关断时间，开关管能快速开通且避免上升沿的高频振荡。

二极管D1的作用是防止Q3、Q4同时导通而导致炸管。

-----------------------------------------------------

3、驱动电路加速MOS管关断时间

图2.3.1 加速MOS关断

关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOS栅源极间电容电压快速泄放，保证开关管能快速关断。为使栅源极间电容电压的快速泄放，常在驱动电阻上并联一个电阻和一个二极管，如图2.3.1所示，其中D1常用的是快恢复二极管。这使关断时间减小，同时减小关断时的损耗。Rg2是防止关断的时电流过大，把电源IC给烧掉。

图 2.3.2 改进型加速MOS关断

在第二点介绍的图腾柱电路也有加快关断作用。当电源IC的驱动能力足够时，对图2.3.1中电路改进可以加速MOS管关断时间，得到如图2.3.2所示电路。用三极管来泄放栅源极间电容电压比较常见。如果Q1的发射极没有电阻，当PNP三极管导通时，栅源极间电容短接，达到最短时间内把电荷放完，最大限度减小关断时的交叉损耗。与图2.3拓扑相比较，还有一个好处，就是栅源极间电容上的电荷泄放时电流不经过电源IC，提高了可靠性。

-----------------------------------------------------

4、隔离驱动

图 2.4.1 隔离驱动

为了满足如图2.4.1所示高端MOS管的驱动，经常会采用变压器驱动，有时为了满足安全隔离也使用变压器驱动。其中R1目的是抑制PCB板上寄生的电感与C1形成LC振荡，C1的目的是隔开直流，通过交流，同时也能防止磁芯饱和。

------------------------------------------------------------------------------------------------------

三、电平的双向转换

MOS管可看做是一个理想MOS管本体和一个反并二极管并联。

假设是N型MOS管，当gs端是高电平时，电流可以正向（即从D流到S）流过理想MOS管本体，也可以反向（即从S流到D）流过MOS管本体（由于本体阻抗比反向二极管阻抗低，电流几乎全部从本体漏过）。当gs端是低电平时，电流无法正向流过MOS管本体和反并二极管，电流也无法反向流过MOS管本体，但是电流可以反向流过反并的二极管。

1、电平转换方式一

S1=0，Vgs=VCC_S1，NMOS导通，S2=0；

S1=VCC_S1，NMOS截止，S2被上拉至VCC_S2；

S1高阻，NMOS截止，S2被上拉至VCC_S2。

上图中S1、S2为两个信号端，VCC_S1和VCC_S2为这两个信号的高电平电压。

另外限制条件：

1）VCC_S1<=VCC_S2

2）S1的低电平门限大于0.7V左右(视NMOS内的二极管压降而定)

3）Vgs<=VCC_S1

4）Vds<=VCC_S2

关于3.3V和5V/12V等电路的互相转换，NMOS管选择AP2306即可。此电路我已在多处应用，效果很好。

在电平转换器的操作中要思索下面的三种状态：

1）没有器件下拉总线线路

“低电压”局部的总线线路经过上拉电阻Rp 上拉至3.3V。 MOS管的门极和源极都是3.3V，所以它的VGS 低于阀值电压，MOS管不导通。这就允许“高电压”局部的总线线路经过它的上拉电阻Rp 拉到5V。此时两局部的总线线路都是高电平，只是电压电平不同。

---------------------------

2）一个3.3V 器件下拉总线线路到低电平

MOS管的源极也变成低电平，而门极是3.3V。 VGS上升高于阀值，MOS管开端导通。然后“高电压”局部的总线线路经过导通的MOS管被3.3V 器件下拉到低电平。此时，两局部的总线线路都是低电平，而且电压电平相同。

---------------------------

3）一个5V 的器件下拉总线线路到低电平

MOS管的漏极基底二极管“低电压”局部被下拉直到VGS 超越阀值，MOS管开端导通。“低电压”局部的总线线路经过导通的MOS管被5V 的器件进一步下拉到低电平。此时，两局部的总线线路都是低电平，而且电压电平相同。

这三种状态显现了逻辑电平在总线系统的两个方向上传输，与驱动的局部无关。状态1 执行了电平转换功用。状态2 和3 依照I2C 总线标准的请求在两局部的总线线路之间完成“线与”的功用。

除了3.3V/VDD1 和5V/VDD2 的电源电压外，还能够是例如：2V/VDD1 和10V/VDD2。在正常操作中，VDD2必需等于或高于VDD1（在开关电源时允许VDD2 低于VDD1）。

-----------------------------------------------------

2、电平转换方式二

利用MOS管搭建的低成本方案，实现电平的双向转换，具体电路如下图示：

以下分析其工作原理，因SCL与SDA两条支路工作原理一致，故选取其中一条支路进行分析，如下分三种情况进行讨论：

1）空闲状态

则有：

---------------------------

2）3.3V转5V

则有：

---------------------------

3）5V转3.3V

则有：

注：因MOS管都存在开关速度问题，故此种形式的电平转换电路速度不能过高，一般控制在1MHz以内；而对于标准模式100kbit/s 或快速模式400kbit/s的 I2C 总线，该电平转换电路不存在任何限制问题。

------------------------------------------------------------------------------------------------------

四、电源通断控制与信号切换

MOS管在信号切换与电压通断控制应用中，常有P沟道MOS管信号切换(高边驱动)与电压通断控制(高边驱动)，N沟道MOS管信号切换(低边驱动)与电压通断控制(高边驱动)等。

1、电源通断控制

注：NMOS用于高边开关时，由于源极(Source)接负载，就会存在两个问题。
源极(Source)悬空；栅极(Gate)电压要高于漏极(Drain)供电电压。而且还会带来不稳定的情况：
P沟道MOS是高端驱动器的自然选择。它效率高，坚固耐用，易于控制。操作可达到驱动芯片的最大电源电压。高侧NMOS栅极驱动器更复杂，在高du/dt时会出现问题，因为驱动器本身是浮动的，即其相对GND电势与驱动器输出相同。
有时，当不可预见的事件（例如，电机外侧的ESD事件）导致斜坡加速时，会出现这种情况。由于N通道高端驱动器控制芯片可以直接看到斜率，因此可能会超过允许的最大du/dt。

NMOS与PMOS高边、低边驱动控制与笔记本电脑电源隔离仿真电路：MOS场效应管控制。

-----------------------------------------------------

2、信号切换

MOS管用作信号切换开关时，内置背靠背齐纳二极管增加保护，元件框图如下。

比如STB9NK80Z，

比如STD4NK100Z，

其规格书中关于齐纳二极管的描述如下。

内置背靠背齐纳二极管经过专门设计，不仅可以增强器件的ESD能力，还可以使它们安全地吸收可能偶尔从门到源施加的电压瞬变。在这方面，齐纳电压适合于实现有效和具有成本效益的干预措施，以保护器件的完整性。这些集成齐纳二极管因此避免了使用外部元件。

------------------------------------------------------------------------------------------------------

五、电源软开启

1、控制电源开关的输入信号Control为低电平或高阻时，三极管Q2的基极被拉低到地，为低电平，Q2不导通，进而MOS管Q1的Vgs = 0，MOS管Q1不导通，+5V_OUT 无输出。电阻R4是为了在Control为高阻时，将三极管Q2的基极固定在低电平，不让其浮空。

2、当电源 +5V_IN 刚上电时，要求控制电源开关的输入信号 Control 为低电平或高阻，即关闭三极管Q2，从而关闭MOS管Q1。因 +5V_IN 还不稳定，不能将电源打开向后级电路输出。此时等效电路图如下。

此时电源 +5V_IN 刚上电，使MOS管G极与S极等电势，即Vgs = 0，令Q1关闭。

3、电源 +5V_IN 上电完成后，MOS管G极与S极两端均为5V，仍然Vgs = 0。

4、此时将 Control 设为高电平（假设高电平为3.3V），则：

①三极管Q2的基极为0.7V，可算出基极电流Ibe为：(3.3V - 0.7V) / 基极电阻R3 = 0.26mA。

②三级管Q2饱和导通，Vce ≈ 0。电容C1通过电阻R2充电，即C1与G极相连端的电压由5V缓慢下降到0V，导致Vgs电压逐渐增大。

③MOS管Q1的Vgs缓慢增大，令其缓慢打开直至完全打开。最终Vgs = -5V。

④利用电容C1的充电时间实现了MOS管Q1的缓慢打开（导通），实现了软开启的功能。

MOS管打开时的电流流向如下图所示：

5、电源打开后，+5V_OUT 输出为5V电压。此时将 Control 设为低电平，三极管Q2关闭，电容C1与G极相连端通过电阻R2放电，电压逐渐上升到5V，起到软关闭的效果。软关闭一般不是我们想要的，过慢地关闭电源，可能出现系统不稳定等异常。过程如下图：

一般情况下还是放心使用软启动功能，伴随而来的软关闭效果一般没什么影响。

-----------------------------------------------------------------------------------------------------

六、电源防反接

原理见上述“一、场效应管原理与作用之3、场效应管应用介绍”的介绍，实用电路如下：

-----------------------------------------------------------------------------------------------------

附录1、半导体

1、半导体的导电原理

不含杂质的半导体称为本征半导体。半导体硅和锗的最外层电子有四个，故而称它为四价元素，每一个外层电子称为价电子。为了处于稳定状态，单晶硅和单晶锗中的每个原子的四个价电子都要和相邻原子的价电子配对，形成所谓的共价键，如下图所示。

但是共价键中的电子并不像绝缘体中的电子结合的那样紧，由于能量激发（如光照、温度变化），一些电子就能挣脱原有的束缚而成为自由电子。与此同时，某处共价键中失去一个电子，相应地就留下一个空位，称为空穴。自由电子和空穴总是成对出现。

若在本征半导体两端加以电压，则会有两种数量相等的运载电荷的粒子（称作载流子）产生电流。一种是由自由电子向正极移动，形成的电子电流；另一种是空穴向负极移动形成的空穴电流，半导体中载流子的移动如下图所示。空穴电流的形成好像电影场中，前排座位空着，由后排人逐个往前填补人，人向前运动，空位向后运动一样。因此，在半导体中同时存在着电子导电和空穴导电，但由于这两种载流子数量很少，所以本征半导体导电能力远不如金属中的自由电子。

-----------------------------------------------------

2、P型半导体和N型半导体的形成

若在本征半导体中掺入少量的杂质，半导体的导电性能将会大大的改善。在纯净的半导体硅（Si）中掺入少量的五价磷（P）或三价硼（B）元素，就构成了电子型半导体（简称N型半导体）和空穴型半导体（简称P型半导体）。P型半导体的形成在纯净半导体中掺入原子外层有三个电子的硼元素。硼原子与相邻硅原子形成共价键时，因缺少一个电子而多一个空穴。如下图所示每掺入一个硼原子就有一个空穴，这种半导体称为P型半导体。在P型半导体中，空穴占多数，自由电子占少数，空穴是多数载流子。

同理在纯净的半导体硅中掺入原子外层有五个电子的磷元素，就形成了N型半导体。其自由电子占多数，电子是多数载流子。

P型半导体

-----------------------------------------------------

3、PN结的形成

要想让PN结导通形成电流，必须消除其空间电荷区的内部电场的阻力。很显然，给它加一个反方向的更大的电场，即P区接外加电源的正极，N区接负极，就可以抵消其内部自建电场，使载流子可以继续运动，从而形成线性的正向电流。而外加反向电压则相当于内建电场的阻力更大，PN结不能导通，仅有极微弱的反向电流（由少数载流子的漂移运动形成，因少子数量有限，电流饱和）。当反向电压增大至某一数值时，因少子的数量和能量都增大，会碰撞破坏内部的共价键，使原来被束缚的电子和空穴被释放出来，不断增大电流，最终PN结将被击穿（变为导体）损坏，反向电流急剧增大。

-----------------------------------------------------

4、电子元件-三极管/MOS/IGBT

------------------------------------------------------------------------------------------------------

MOS场管原理、作用及组成电路相关推荐

MOS管工作原理的应用驱动电路详解
MOS管应用电路 MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用在需要电子开关的电路中,常见的如开关电源和马达驱动,也有照明调光. 现在的MOS驱动,有几个特别的应用 1.低压应用当使用5V电源, ...
mos管栅极电阻的作用-电阻在MOS电路中注意事项及参考选择方法
mos管栅极电阻的作用 mos管栅极简介在了解mos管栅极电阻的作用之前,我们先了解一下mos管栅极及其他2个极的基础知识.场效应管根据三极管的原理开发出的新一代放大元件,有3个极性,栅极,漏极,源 ...
计算机原理1046Q是什么意思,半桥驱动电路工作原理,半桥驱动电路的作用是什么 - 功率器件 - 电子发烧友网...
半桥驱动电路的作用: 半桥驱动电路的作用主要是通过功率管产生交流电触发信号,从而产生大电流进一步驱动电机.与单片机驱动不同的是,单片机驱动能力有限,一般仅作为驱动信号. 半桥驱动电路工作原理: 半桥电 ...
MOS管电容的原理特性及其优缺点
模拟IC电路设计中,会经常用到电容.芯片内部的电容一般使用金属当作上下基板,但是这种金属电容缺点是消耗面积太大.为了作为替代,在一些对电容要求不是很高的电路中,有人就想到了MOS管. 确实,MOS管作 ...
4.深入浅出：绝缘栅型场效应管（MOS管）原理及应用——参考《模拟电子技术基础》清华大学华成英主讲
绝缘栅型场效应管的基本原理注意几点: 1.增强型MOS管,DS本来没有导电沟道,必须在GS加电压才能产生沟道. 2.相比结型场效应管,多了一个衬底,和源极S相接. 3.相比结型场效应管,多了绝缘层, ...
深入学习MOS管工作原理，快速了解MOS管结构原理图，通俗易懂！
每天我们都在不断学习新东西,都希望用知识来填充自己大脑,深圳市泰德兰电子有限公司小编就经常学习一些关于电子元器件的资料, 小编也看见很多小伙伴和我一样通过网络寻找自己想要的答案,今天小编就把最近在网上 ...
p沟道大电流mos管贴片_一文读懂MOS管工作原理
MOS管作为半导体行业最基本的元器件之一,在电子线路中,MOS管一般被用以功率放大电路或开关电源电路而被广泛运用.下面冠华伟业就有关于MOS管工作原理为您详细解读,来进行MOSFET内部结构分析. 何 ...
TL431工作原理、经典应用电路、输出产生真的的原因分析
第一篇.TL431工作原理及经典应用电路一.TL431介绍 TL431是由美国德州仪器公司(TI)和Motorola公司生产的2.50~36V可调精密并联稳压器,它是一种具有可调电流输出能力的基准电 ...
MOS管工作原理，就是这么简单
1. MOS管工作原理--MOS管简介 MOS管,即在集成电路中绝缘性场效应管.MOS英文全称为Metal-Oxide-Semiconductor即金属-氧化物-半导体,确切的说,这个名字描述了集成电 ...

MOS场管原理、作用及组成电路

MOS场管原理、作用及组成电路相关推荐

最新文章

热门文章