MOS管在平時(shí)的電源電路和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中使用非常廣泛，只有深入了解其工作原理和規(guī)格書參數(shù)才能保證設(shè)計(jì)的穩(wěn)定可靠。
1. MOS管導(dǎo)通過(guò)程分析
MOS管和三極管的特性曲線分別如圖1和圖2所示，它們各自區(qū)間的命名有所不同，其中MOS管的飽和區(qū)也稱為恒流區(qū)、放大區(qū)。其中一個(gè)主要的不同點(diǎn)在于MOS管有個(gè)可變電阻區(qū)，而三極管則是飽和區(qū)，沒(méi)有可變電阻區(qū)的說(shuō)法。從圖中也能明顯看出，MOS管在可變電阻區(qū)內(nèi)，Vgs一定時(shí)，Id和Vds近似為線性關(guān)系，不同Vgs值對(duì)應(yīng)不同的曲線斜率，即漏極D和源極S之間的電阻值Rds受控于Vgs;而三極管在飽和區(qū)內(nèi)，不同Ib值的曲線都重合在一起，即曲線斜率相同，阻值相同。
圖1
圖2
MOS管導(dǎo)通過(guò)程中的各電壓電流曲線如圖3所示，其中Vgs曲線有著名(臭名昭著)的米勒平臺(tái)，即Vgs在某段時(shí)間(t3-t2)內(nèi)保持不變。
圖3
我們知道MOS管是壓控器件，不同于三極管是流控器件，但是實(shí)際上MOS管在從關(guān)斷到導(dǎo)通的過(guò)程也是需要電流(電荷)的，原因是因?yàn)镸OS管各極之間存在寄生電容Cgd，Cgs和Cds，如圖4所示。MOS管導(dǎo)通條件是Vgs電壓至少達(dá)到閾值電壓Vgs(th)，其通過(guò)柵極電荷對(duì)Cgs電容充電實(shí)現(xiàn)，當(dāng)MOS管完全導(dǎo)通后就不需要提供電流了，即壓控的意思。這三個(gè)寄生電容參數(shù)值在MOS管的規(guī)格書中一般是以Ciss，Coss和Crss形式給出，其對(duì)應(yīng)關(guān)系為：Cgd=Crss;Cds=Coss-Crss;Cgs=Ciss-Crss。
圖4
在MOS管的規(guī)格書上一般還有如圖5所示的柵極充電曲線，其可以很好地解釋為何Vgs電壓會(huì)有米勒平臺(tái)。Vgs一開(kāi)始隨著柵極電荷的增加而增加，但是當(dāng)Vgs增加到米勒平臺(tái)電壓大小Vp時(shí)，即使柵極電荷繼續(xù)增加，Vgs也保持不變，因?yàn)樵黾拥臇艠O電荷被用來(lái)給Cgd電容進(jìn)行充電。因此，MOS管會(huì)有對(duì)應(yīng)的Qgs，Qgd和Qg電荷參數(shù)，如圖6所示。在MOS管截止時(shí)，漏極電壓對(duì)Cgd充電，Cgd的電壓極性是上正下負(fù);當(dāng)MOS管進(jìn)入米勒平臺(tái)后，大部分的柵極電荷用來(lái)對(duì)Cgd進(jìn)行充電，但是極性與漏極充電相反，即下正上負(fù)，因此也可理解為對(duì)Cgd反向放電，最終使得Vgd電壓由負(fù)變正，結(jié)束米勒平臺(tái)進(jìn)入可變電阻區(qū)。米勒平臺(tái)時(shí)間內(nèi)，Vds開(kāi)始下降，米勒平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間即為Vds電壓從最大值下降到最小值的時(shí)間。由此可見(jiàn)米勒平臺(tái)時(shí)間與電容Cgd大小成正比，在通信設(shè)備行業(yè)中-48V電源的緩啟動(dòng)電路經(jīng)常在MOS管柵漏極間并聯(lián)一個(gè)較大的電容，以延長(zhǎng)米勒平臺(tái)時(shí)間來(lái)達(dá)到電壓緩啟動(dòng)的目的。
圖5
圖6
米勒平臺(tái)電壓的大小可以近似地通過(guò)以下公式進(jìn)行估算，Id=gfs(Vp-Vgs(th))，通過(guò)規(guī)格書可以得到閾值電壓Vgs(th)和跨導(dǎo)gfs，根據(jù)電路參數(shù)可以得到漏極電流Id，因此，可以近似推算出米勒平臺(tái)電壓Vp。但是需要注意的是跨導(dǎo)gfs并不是一個(gè)常數(shù)，規(guī)格書中給出的數(shù)值都是基于一定的Vds和Id條件下得到的。此外，還有另外一種估算方法Id=K(Vp-Vgs(th))2，根據(jù)規(guī)格書中的參數(shù)計(jì)算出常數(shù)K，然后計(jì)算得到Vp，有興趣的可以查閱參考文獻(xiàn)2。
了解了MOS管的米勒平臺(tái)后，我們可以分析一下圖3所示導(dǎo)通過(guò)程中MOS管電壓電流的變化曲線。以常見(jiàn)的MOS管開(kāi)關(guān)電路為例，在t0~t1時(shí)間段內(nèi)，Vgs小于閾值電壓Vgs(th)時(shí)，MOS管處于截止區(qū)關(guān)斷，漏極電流Id=0，漏源極電壓差Vds為輸入電壓Vin。
在t1~t2時(shí)間段內(nèi)，隨著Vgs從閾值電壓Vgs(th)逐漸增大至米勒平臺(tái)電壓Vp，電流Id從0開(kāi)始逐漸增大至最大值，MOS管開(kāi)始導(dǎo)通，并進(jìn)入恒流區(qū)(飽和區(qū))。此時(shí)Vds仍舊維持不變，但是實(shí)際電路中可能會(huì)由于各種雜散寄生電感等因素的影響，也會(huì)產(chǎn)生一部分壓降損失，導(dǎo)致實(shí)際的Vds會(huì)略微下降。同三極管類似，MOS管在飽和區(qū)內(nèi)具有相似的放大特性，其公式為：Id=gfs*Vgs，gfs為MOS管的跨導(dǎo)，可從規(guī)格書中得到。
在t2~t3時(shí)間段內(nèi)，當(dāng)Id逐漸增大至最大值(由電路參數(shù)決定)時(shí)，MOS管開(kāi)始進(jìn)入米勒平臺(tái)，由于電流Id已經(jīng)達(dá)到最大值保持不變，所以Vgs=Id/gfs亦保持不變，即從公式角度也可以解釋米勒平臺(tái)。在t2~t3時(shí)間段內(nèi)，Vds開(kāi)始以一定斜率下降。但是實(shí)際下降的斜率在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)并非一直保持不變。因?yàn)镸OS管的Cgd電容在這個(gè)過(guò)程中是變化的，一開(kāi)始Cgd較小，之后變大，所以實(shí)際的VDS曲線斜率會(huì)稍有變化，即一開(kāi)始Cgd電容小，電壓下降較快，之后Cgd電容較大，電壓下降較慢，Cgd電容值的變化曲線如圖7所示。
圖7
在t3之后，MOS管進(jìn)入可變電阻區(qū)，米勒平臺(tái)結(jié)束，Vgs電壓在柵極電荷的驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)升高至最大值，Vds則電壓下降至最低值Rds(on)*Id。圖3 MOS管導(dǎo)通曲線的簡(jiǎn)化版如圖8所示，分析問(wèn)題時(shí)圖8已經(jīng)足夠使用。MOS管關(guān)斷時(shí)的分析過(guò)程相反，其變化曲線如圖9所示。
圖8
圖9
t1和t2的時(shí)間可以根據(jù)RC充放電原理進(jìn)行近似計(jì)算，t1=Rg*Ciss*ln(Vgs/(Vgs-Vgs(th)))，t2= Rg*Ciss*ln(Vgs/(Vgs-Vp))，其中Vgs為柵極驅(qū)動(dòng)電壓大小，Rg為柵極驅(qū)動(dòng)電阻。t2值近似于規(guī)格書中的參數(shù)延時(shí)導(dǎo)通時(shí)間td(on)。米勒平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間tp可以通過(guò)以下公式近似計(jì)算：由于該時(shí)間段內(nèi)Vp保持不變，因此柵極驅(qū)動(dòng)電流大小Ig=(Vgs-Vp)/Rg，tp=Qgd/Ig。tp=t3-t2，近似于規(guī)格書中的參數(shù)上升時(shí)間tr。
2. MOS管損耗分析
MOS管損耗主要有開(kāi)關(guān)損耗(開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗，關(guān)注參數(shù)Cgd(Crss))、柵極驅(qū)動(dòng)損耗(關(guān)注參數(shù)Qg)和導(dǎo)通損耗(關(guān)注參數(shù)Rds(on))等。
以如圖10所示的同步BUCK拓?fù)錇槔M(jìn)行說(shuō)明，由于高側(cè)的開(kāi)關(guān)管Q1和低側(cè)的同步管Q2組成一個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，為了防止兩個(gè)MOS管同時(shí)導(dǎo)通而使輸入回路短路，因此兩個(gè)MOS管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)存在一個(gè)死區(qū)時(shí)間，即兩個(gè)MOS管都關(guān)斷。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，由于電感的電流不能突變，因此同步管Q2的寄生體二極管將率先導(dǎo)通進(jìn)行續(xù)流。正是由于體二極管導(dǎo)通后，同步管Q2才被驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通，在忽略二極管壓降的情況下，同步管Q2導(dǎo)通時(shí)兩端電壓為0，可以看作是0電壓導(dǎo)通;同步管Q2導(dǎo)通后，其兩端電壓為0直至關(guān)斷，因此也是0電壓關(guān)斷。因此，同步管Q2基本沒(méi)有開(kāi)關(guān)損耗，這意味著對(duì)于同步管的選取，功耗主要取決于與導(dǎo)通電阻RDS(on)相關(guān)的導(dǎo)通損耗，而開(kāi)關(guān)損耗可以忽略不計(jì)，因此不必考慮柵極電荷Qg。而高側(cè)的開(kāi)關(guān)管Q1由于開(kāi)通和關(guān)閉時(shí)都不是0電壓，因此要基于導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗綜合來(lái)考慮。
圖10
所謂開(kāi)關(guān)損耗是指MOS管在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中，電壓和電流不為0，存在功率損耗。由前述MOS管導(dǎo)通過(guò)程可知，開(kāi)關(guān)損耗主要集中在t1~t3時(shí)間段內(nèi)。而米勒平臺(tái)時(shí)間和MOS管寄生電容Crss成正比，其在MOS管的開(kāi)關(guān)損耗中所占比例最大，因此米勒電容Crss及所對(duì)應(yīng)的Qgd在MOS管的開(kāi)關(guān)損耗中起主導(dǎo)作用。因此對(duì)于MOS管的選型，不僅需要考慮柵極電荷Qg和柵極電阻Rg，也需要同時(shí)考慮Crss(Cgd)的大小，其同時(shí)也會(huì)在規(guī)格書的上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf參數(shù)上有間接反映，MOS管的關(guān)鍵參數(shù)如圖11所示。
圖11
MOS管的各種損耗可以通過(guò)以下公式近似估算：
導(dǎo)通損耗：
Q1管：P(HO) = D × (IO 2 × RDS(ON) × 1.3);
Q2管：P(LO) = (1 - D) × (IO 2 × RDS(ON) × 1.3);
系數(shù)1.3主要是考慮MOS管的導(dǎo)通電阻會(huì)隨著溫度的升高而增加。
柵極驅(qū)動(dòng)損耗：
PGC = n ×VCC × Qg × fSW;
n表示MOS管的個(gè)數(shù)(MOS管選型相同時(shí))，fSW表示開(kāi)關(guān)頻率;柵極驅(qū)動(dòng)損耗主要是發(fā)生在電源控制芯片上，而非MOS管上，但是其大小與MOS管的參數(shù)有關(guān)。
開(kāi)關(guān)損耗：
PSW = 0.5× Vin × Io × (tr + tf) × fSW;
系數(shù)0.5是因?yàn)閷OS管導(dǎo)通曲線看成是近似線性，折算成面積功率，系數(shù)就是0.5;Vin是輸入電壓，Io是輸出電流;tr和tf是MOS管的上升時(shí)間和下降時(shí)間，分別指的是漏源電壓從90%下降到10%和漏源電壓從10%上升到90%的時(shí)間，可以近似看作米勒平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間，即圖3中的(t3-t2)。另外，規(guī)格書中的td(on)和td(off)可以近似看作是Vgs電壓從0開(kāi)始上升到米勒平臺(tái)電壓的時(shí)間，即圖3中的t2。
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