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P溝道MOS管開關(guān)電路及工作原理作用-PMOS管作為開關(guān)的條件-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-07-09 

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什么是pmos管

PMOS是指n型襯管底、p溝道,靠空穴的流動運送電流的MOS管。
P溝道MOS晶體管的空穴遷移率低,因而在MOS晶體管的幾何尺寸和工作電壓絕對值相等的情況下,PMOS晶體管的跨導(dǎo)小于N溝道MOS晶體管。此外,P溝道MOS晶體管閾值電壓的絕對值一般偏高,要求有較高的工作電壓。它的供電電源的電壓大小和極性,與雙極型晶體管——晶體管邏輯電路不兼容。PMOS因邏輯擺幅大,充電放電過程長,加之器件跨導(dǎo)小,所以工作速度更低,在NMOS電路(見N溝道金屬—氧化物—半導(dǎo)體集成電路)出現(xiàn)之后,多數(shù)已為NMOS電路所取代。只是,因PMOS電路工藝簡單,價格便宜,有些中規(guī)模和小規(guī)模數(shù)字控制電路仍采用PMOS電路技術(shù)。




P溝道MOS管開關(guān)電路工作原理

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)(MOS)晶體管可分為N溝道與P溝道兩大類, P溝道硅MOS場效應(yīng)晶體管在N型硅襯底上有兩個P+區(qū),分別叫做源極和漏極,兩極之間不通導(dǎo),柵極上加有足夠的正電壓(源極接地)時,柵極下的N型硅表面呈現(xiàn)P型反型層,成為銜接源極和漏極的溝道。改動?xùn)艍嚎梢愿膭訙系乐械碾娮用芏?,從而改動溝道的電阻。這種MOS場效應(yīng)晶體管稱為P溝道增強型場效應(yīng)晶體管。假設(shè)N型硅襯底表面不加?xùn)艍壕鸵汛嬖赑型反型層溝道,加上恰當(dāng)?shù)钠珘海墒箿系赖碾娮柙龃蠡驕p小。這樣的MOS場效應(yīng)晶體管稱為P溝道耗盡型場效應(yīng)晶體管。統(tǒng)稱為PMOS晶體管。



P溝道MOS晶體管的空穴遷移率低,因而在MOS晶體管的幾何尺寸和工作電壓絕對值相等的情況下,PMOS晶體管的跨導(dǎo)小于N溝道MOS晶體管。此外,P溝道MOS晶體管閾值電壓的絕對值普通偏高,懇求有較高的工作電壓。它的供電電源的電壓大小和極性,與雙極型晶體管——晶體管邏輯電路不兼容。PMOS因邏輯擺幅大,充電放電過程長,加之器件跨導(dǎo)小,所以工作速度更低,在P溝道MOS管開關(guān)電路(見N溝道金屬—氧化物—半導(dǎo)體集成電路)呈現(xiàn)之后,多數(shù)已為NMOS電路所取代。只是,因PMOS電路工藝簡單,價錢低價,有些中范圍和小范圍數(shù)字控制電路仍采用PMOS電路技術(shù)。PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會導(dǎo)通,適宜用于源極接VCC時的情況(高端驅(qū)動)。但是,固然PMOS可以很便當(dāng)?shù)赜米鞲叨蓑?qū)動,但由于導(dǎo)通電阻大,價錢貴,交流種類少等緣由,在高端驅(qū)動中,通常還是運用NMOS。


正常工作時,P溝道增強型MOS管的襯底必需與源極相連,而漏心極的電壓Vds應(yīng)為負值,以保證兩個P區(qū)與襯底之間的PN結(jié)均為反偏,同時為了在襯底頂表面左近構(gòu)成導(dǎo)電溝道,柵極對源極的電壓Vgs也應(yīng)為負。


1.Vds≠O的情況導(dǎo)電溝道構(gòu)成以后,DS間加負向電壓時,那么在源極與漏極之間將有漏極電流Id流通,而且Id隨Vds而增加.Id沿溝道產(chǎn)生的壓降使溝道上各點與柵極間的電壓不再相等,該電壓削弱了柵極中負電荷電場的作用,使溝道從漏極到源極逐漸變窄.當(dāng)Vds增大到使Vgd=Vgs(TH),溝道在漏極左近呈現(xiàn)預(yù)夾斷.


2.導(dǎo)電溝道的構(gòu)成(Vds=0)當(dāng)Vds=0時,在柵源之間加負電壓Vgs,由于絕緣層的存在,故沒有電流,但是金屬柵極被補充電而聚集負電荷,N型半導(dǎo)體中的多子電子被負電荷排斥向體內(nèi)運動,表面留下帶正電的離子,構(gòu)成耗盡層,隨著G、S間負電壓的增加,耗盡層加寬,當(dāng)Vgs增大到一定值時,襯底中的空穴(少子)被柵極中的負電荷吸收到表面,在耗盡層和絕緣層之間構(gòu)成一個P型薄層,稱反型層,這個反型層就構(gòu)成漏源之間的導(dǎo)電溝道,這時的Vgs稱為開啟電壓Vgs(th),Vgs到Vgs(th)后再增加,襯底表面感應(yīng)的空穴越多,反型層加寬,而耗盡層的寬度卻不再變化,這樣我們可以用Vgs的大小控制導(dǎo)電溝道的寬度。


P溝道MOS管開關(guān)電路

下圖是兩種P溝道MOS管開關(guān)電路應(yīng)用:其中第一種NMOS管為高電平導(dǎo)通,低電平截斷,Drain端接后面電路的接地端;第二種為P溝道MOS管開關(guān)電路,為高電平斷開,低電平導(dǎo)通,Drain端接后面電路的VCC端。



首先要進行MOSFET的選擇,MOSFET有兩大類型:N溝道和P溝道。在功率系統(tǒng)中,MOSFET可被看成電氣開關(guān)。當(dāng)在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時,其開關(guān)導(dǎo)通。導(dǎo)通時,電流可經(jīng)開關(guān)從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內(nèi)阻,稱為導(dǎo)通電阻RDS(ON)。必須清楚MOSFET的柵極是個高阻抗端,因此,總是要在柵極加上一個電壓。這就是后面介紹電路圖中柵極所接電阻至地。如果柵極為懸空,器件將不能按設(shè)計意圖工作,并可能在不恰當(dāng)?shù)臅r刻導(dǎo)通或關(guān)閉,導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。當(dāng)源極和柵極間的電壓為零時,P溝道MOS管開關(guān)電路關(guān)閉,而電流停止通過器件。雖然這時器件已經(jīng)關(guān)閉,但仍然有微小電流存在,這稱之為漏電流,即IDSS。



P溝道MOS管開關(guān)電路

第一步:選用N溝道還是P溝道

為設(shè)計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應(yīng)用中,當(dāng)一個MOSFET接地,而負載連接到干線電壓上時,該MOSFET就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中,應(yīng)采用N溝道MOSFET,這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)MOSFET連接到總線及負載接地時,就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個拓撲中采用P溝道MOS管開關(guān)電路,這也是出于對電壓驅(qū)動的考慮。



第二步:確定額定電流

第二步是選擇MOSFET的額定電流。視電路結(jié)構(gòu)而定,該額定電流應(yīng)是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似,設(shè)計人員必須確保所選的MOSFET能承受這個額定電流,即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。該參數(shù)以FDN304P管DATASHEET為參考,參數(shù)如圖所示:



P溝道MOS管開關(guān)電路
在連續(xù)導(dǎo)通模式下,MOSFET處于穩(wěn)態(tài),此時電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流,只需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可。
選好額定電流后,還必須計算導(dǎo)通損耗。在實際情況下,MOSFET并不是理想的器件,因為在導(dǎo)電過程中會有電能損耗,這稱之為導(dǎo)通損耗。MOSFET在“導(dǎo)通”時就像一個可變電阻,由器件的RDS(ON)所確定,并隨溫度而顯著變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算,由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化,因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOSFET施加的電壓VGS越高,RDS(ON)就會越小;反之RDS(ON)就會越高。對系統(tǒng)設(shè)計人員來說,這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權(quán)衡的地方。對便攜式設(shè)計來說,采用較低的電壓比較容易(較為普遍),而對于工業(yè)設(shè)計,可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升。關(guān)于RDS(ON)電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。



P溝道MOS管開關(guān)電路

第三步:確定熱要求

選擇MOSFET的下一步是計算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)計人員必須考慮兩種不同的情況,即最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結(jié)果,因為這個結(jié)果提供更大的安全余量,能確保系統(tǒng)不會失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數(shù)據(jù);比如封裝器件的半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻,以及最大的結(jié)溫。



P溝道MOS管開關(guān)電路
器件的結(jié)溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結(jié)溫=最大環(huán)境溫度+[熱阻×功率耗散])。根據(jù)這個方程可解出系統(tǒng)的最大功率耗散,即按定義相等于I2×RDS(ON)。由于設(shè)計人員已確定將要通過器件的最大電流,因此可以計算出不同溫度下的RDS(ON)。值得注意的是,在處理簡單熱模型時,設(shè)計人員還必須考慮半導(dǎo)體結(jié)/器件外殼及外殼/環(huán)境的熱容量;即要求印刷電路板和封裝不會立即升溫。



通常,一個P溝道MOS管開關(guān)電路PMOS管,會有寄生的二極管存在,該二極管的作用是防止源漏端反接,對于PMOS而言,比起NMOS的優(yōu)勢在于它的開啟電壓可以為0,而DS電壓之間電壓相差不大,而NMOS的導(dǎo)通條件要求VGS要大于閾值,這將導(dǎo)致控制電壓必然大于所需的電壓,會出現(xiàn)不必要的麻煩。選用PMOS作為控制開關(guān),有下面兩種應(yīng)用:


P溝道MOS管開關(guān)電路
第一種應(yīng)用,P溝道MOS管開關(guān)電路由PMOS來進行電壓的選擇,當(dāng)V8V存在時,此時電壓全部由V8V提供,將PMOS關(guān)閉,VBAT不提供電壓給VSIN,而當(dāng)V8V為低時,VSIN由8V供電。注意R120的接地,該電阻能將柵極電壓穩(wěn)定地拉低,PMOS管經(jīng)典開關(guān)電路確保PMOS的正常開啟,這也是前文所描述的柵極高阻抗所帶來的狀態(tài)隱患。D9和D10的作用在于防止電壓的倒灌。D9可以省略。這里要注意到實際上該電路的DS接反,這樣由附生二極管導(dǎo)通導(dǎo)致了開關(guān)管的功能不能達到,實際應(yīng)用要注意。



P溝道MOS管開關(guān)電路
來看這個電路,控制信號PGC控制V4.2是否給P_GPRS供電。此電路中,源漏兩端沒有接反,R110與R113存在的意義在于R110控制柵極電流不至于過大,R113控制柵極的常態(tài),將R113上拉為高,截至PMOS,同時也可以看作是對控制信號的上拉,當(dāng)MCU內(nèi)部管腳并沒有上拉時,即輸出為開漏時,并不能驅(qū)動PMOS關(guān)閉,此時,就需要外部電壓給予的上拉,所以電阻R113起到了兩個作用。R110可以更小,到100歐姆也可。



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