嵌入式硬件电子电路设计(五)MOS管详解(NMOS、PMOS、三极管跟mos管的区别)

引言:在我们的日常使用中,MOS就是个纯粹的电子开关,虽然MOS管也有放大作用,但是几乎用不到,只用它的开关作用,一般的电机驱动,开关电源,逆变器等大功率设备,全部使用MOS管作为电子开关,使用起来比较方便,简单粗暴,经常用到的只有N沟道的MOS管,并且也针对PMOS讲解,并对比三极管跟mos管的区别。

目录

NMOS管的基础认识

NMOS工作条件

NMOS的等效电路及驱动方法

PMOS的等效电路及驱动方法

三极管和mos管的区别

MOS管选型

MOS管封装

MOS容易忽视的参数-Cgs


NMOS管的基础认识

如下图所示,简单的电路图,如引脚输出HIGH电平时,NMOS就等效为闭合的开关。

以上就是最经典的用法,实现了io口,来控制功率器件,因此如下图所示,也就是栅极施加电压,即可导通。

NMOS工作条件

(导通条件):Ugs大于Ugs (th)阈值电压

性质:

1、MOS导通后,相当于开关闭合,压降几乎为0

2、虽然导通压降几乎为0,但是会有一个内阻RDSon

3、GS极之间是一个电容,只有电容充满电后MOS才会导通

4、一般的MOS管DS极之间会自带一个肖特基二极管,MOS由于自身结构会有一个寄生二极管,有的厂家生产时,会故意把这个二极管做大,增强MOS的性能

5、想要让MOS管截至(断开),只要取消掉G极电压即可,但是要注意,必须想办法给GS间那个电容放电! G :栅极 D :漏极 S :源极

与三极管不同,MOS管为电压型驱动方式,小电压控制大电压。

状态1: 单片机输出低电平,Q22截至,A点为高电平, 电流方向如图所示,Q20导通,Q23截至,B为高电平 MOS导通,电机转动。

状态2: 单片机输出高电平,Q22导通,A点为低电平, 电流方向如图所示,Q20截至,Q23导通,B为低电平 MOS关断,电机的自感电流流过D7。

NMOS的等效电路及驱动方法

可以看成是一个电压控制的电阻,电压就是GS两端的电压差,电阻就指的是DS之间的电阻了,这个电阻的大小呢,会随着gs的电压的变化而产生变化,但是值得注意的是,他们不是线性对应的关系,实际的关系如下所示:

上述的关系图,本质就是当当gs的电压小于一个特定值的时候,电阻基本就是无穷大的,你也可以看成开关断开嘛,断路,当电压值大于特定值的时候,电阻就无限趋近于0,也就是理解成开关闭合,至于说等于这个值的时候会怎么样,这个临界的电压值,我们称之为Vgsth,也就是打开nmos所需要的gs电压了,并且这是每一个nmos的固有属性,我们可以在nmos的数据手册里面找到它,显然Vgsth应该小于高电平的电压值,否则nmos当然也不会正常打开了,因此在你硬件选型的时候,你也需要注意这个点了。

PMOS的等效电路及驱动方法

如下为PMOS与NMOS的结构图如下:

因此PMOS跟NMOS的驱动能力也是相反的,如下图可见,值得注意的是两个mos管的位置。

因此一般对于灯泡、电机这种无源功率器件,我们可以用nmos,如果是有源例如芯片,我们可以用pmos来控制,如下所示:

三极管和mos管的区别

三极管和MOS管(场效应管)都是常见的电子元件,用于放大和开关电路,但它们在结构、工作原理、特性和应用方面有显著差异:

  1. 结构与基本原理
  • 三极管:三极管是电流控制型器件,由发射极、基极和集电极组成。其工作原理是通过控制基极电流来调节发射极与集电极之间的电流。

  • MOS管:MOS管是电压控制型器件,通常分为N沟道和P沟道两种,主要由源极、漏极和栅极构成。它通过栅极电压来控制源极与漏极之间的电流,栅极与其他电极之间有氧化层隔离,基本没有直流电流流入。

  1. 控制方式
  • 三极管:需要基极电流来控制集电极电流,因此输入端存在一定的电流损耗。

  • MOS管:用栅极电压控制,没有电流损耗(栅极电流极小),输入阻抗很高,非常适合高输入阻抗的电路应用。

  1. 驱动电压与电流
  • 三极管:一般需要0.6V左右的基极-发射极电压(V_BE)来导通。驱动电流相对较大,驱动能力较强。

  • MOS管:一般需要较高的栅极-源极电压(V_GS)来开启,对于N沟道常用10V或更高的电压,逻辑电平的MOS管可以使用5V或3.3V来开启。

  1. 开关速度
  • 三极管:开关速度较慢,特别是在高频应用中,开关损耗较大。

  • MOS管:开关速度较快,尤其适合高速开关应用,因此常用于数字电路、功率电子电路中。

  1. 功率和效率
  • 三极管:在大功率应用中,开关效率较低,容易发热。

  • MOS管:导通电阻低,效率较高,适合大电流、大功率应用,且散热相对较好。

  1. 应用
  • 三极管:常用于低功率信号放大、音频放大、信号处理等场合,如音响和小功率电源等。

  • MOS管:常用于开关电源、电动机控制、高频变换等功率电子电路,尤其在功率放大、数字电路、驱动电路中应用广泛。

MOS管选型

参数: DS间耐压、Id(最大工作电流)、RDS(on)(内阻)、Qgs(栅极电荷)、体二极管压降,电流,反向恢复时间。

MOS管封装

贴片:SOT-23 < SOT-89 < TO-252 < TO-263 < QFN

直插:TO-92 < TO-126 < TO-220 < TO-247

长成集成电路芯片模样的:SOP-8、SOIC-8

MOS容易忽视的参数-Cgs

Cgs就是g跟s之间的寄生电容了,如下所示:

这个Cgs会影响nmos的打开速度,因为加载到gate端的电压,首先要给这个电容充电,这就导致了gs的电压,并不能一下子就到达给定的值,现象也就是下述的图像了,因此这个对高速PWM波是致命的,如果当pwm接近这个爬升波形时,此时就会失真。

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