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【干貨】拋開教材,從實用的角度聊聊MOS管

發(fā)布時間:2022-11-28 來源:MOS管 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】我們把單片機(jī)的一個IO口接到這個MOS管的gate端口,就可以控制這個燈泡的亮滅了。當(dāng)然別忘了供電。當(dāng)這個單片機(jī)的IO口輸出為高的時候,NMOS就等效為這個被閉合的開關(guān),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(guān)被松開了,那此時這個燈光就被關(guān)閉,是不很簡單。


當(dāng)說到MOS管的時候呢,你的腦子里可能是一團(tuán)糨糊的。


【干貨】拋開教材,從實用的角度聊聊MOS管

DIAN CHAO


在大部分的教材里都會告訴你長長的一段話:


MOS管全稱金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)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(kuò)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(jié)型場效應(yīng)管以及晶體場效應(yīng)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(xué)里是完全沒有搞明白,學(xué)了一個學(xué)期就學(xué)了個寂寞。


那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(yè)的學(xué)生,所以教材最重要的是嚴(yán)謹(jǐn)。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(xué)了有什么用,這就導(dǎo)致了在學(xué)習(xí)中你很容易迷失在這些概念中,抓不到重點(diǎn)。


那本文呢,是根據(jù)自己的工作學(xué)習(xí)經(jīng)歷,拋開書本上這些教條的框架,從應(yīng)用側(cè)出發(fā)來給大家介紹一下MOS管里面最常見也是最容易使用的一種:增強(qiáng)型NMOS管,簡稱NMOS。當(dāng)你熟悉了這個NMOS的使用之后呢,再回過頭去看這個教材上的內(nèi)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(guān)的開合,以此來控制這個燈光的亮滅。


【干貨】拋開教材,從實用的角度聊聊MOS管

圖1


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


【干貨】拋開教材,從實用的角度聊聊MOS管

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(jī)的一個IO口接到這個MOS管的gate端口,就可以控制這個燈泡的亮滅了。當(dāng)然別忘了供電。當(dāng)這個單片機(jī)的IO口輸出為高的時候,NMOS就等效為這個被閉合的開關(guān),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(guān)被松開了,那此時這個燈光就被關(guān)閉,是不很簡單。


那如果我們不停的切換這個開關(guān),那燈光就會閃爍。如果切換的這個速度再快一點(diǎn),因為人眼的視覺暫留效應(yīng),燈光就不閃爍了。此時我們還能通過調(diào)節(jié)這個開關(guān)的時間來調(diào)光,這就是所謂的PWM波調(diào)光,以上就是MOS管最經(jīng)典的用法,它實現(xiàn)了單片機(jī)的IO口控制一個功率器件。當(dāng)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(jī)、電磁鐵這樣的東西。


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圖4 PWM波調(diào)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(xué)者來說,有四個比較重要的參數(shù)需要來關(guān)注一下。第一個是封裝,第二個是vgsth,第三個是Rdson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(shù)呢,我們先要來介紹一下NMOS的等效模型。


【干貨】拋開教材,從實用的角度聊聊MOS管

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兩端的電壓差,電阻指的是d、s之間的電阻。這個電阻的大小呢,它會隨著g、s電壓的變化而產(chǎn)生變化。當(dāng)然它們不是線性對應(yīng)的關(guān)系,實際的關(guān)系差不多像這樣的,橫坐標(biāo)是g、s電壓差。


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圖6 Rds與Vgs關(guān)系圖


縱坐標(biāo)是電阻的值,當(dāng)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vgsth,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(shù)據(jù)手冊里面找到它。


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圖7 MOS管數(shù)據(jù)手冊


顯然vgsth一定要小于這個高電平的電壓值,否則的話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(yīng)的5V,那么選3V左右的vgsth是比較合適的。太小的話會因為干擾而誤觸發(fā),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(shù)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Rdson。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(shù)據(jù)手冊上找到它。這個電阻值當(dāng)然是越小越好。越小的話呢,它分壓分的少,而且發(fā)熱也相對比較低。但實際情況一般Rdson越小,這個NMOS的價格就越高,而且一般對應(yīng)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(shù),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(dǎo)致了g、s的電壓并不能一下子到達(dá)給定的一個數(shù)值。


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圖8


它有一個爬升的過程。當(dāng)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(dāng)我們把這個時間刻度放大的時候,我們就可以發(fā)現(xiàn)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(dāng)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Rdson是成反比的關(guān)系。Rdson越小,Cgs就越大。所以大家要注意平衡他們之間的關(guān)系。


以上就是關(guān)于NMOS大家需要初步掌握的知識了。


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