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                            P溝道MOS管開關電路及工作原理作用-PMOS管作為開關的條件-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,加之器件跨導小,所以工作速度更低,在NMOS電路(見N溝道金屬—氧化物—半導體集成電路)出現之后,多數已為NMOS電路所取代。只是,因PMOS電路工藝簡單,價格便宜,有些中規模和小規模數字控制電路仍采用PMOS電路技術。




                            P溝道MOS管開關電路工作原理

                            金屬氧化物半導體場效應(MOS)晶體管可分為N溝道與P溝道兩大類, P溝道硅MOS場效應晶體管在N型硅襯底上有兩個P+區,分別叫做源極和漏極,兩極之間不通導,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P型反型層,成為銜接源極和漏極的溝道。改動柵壓可以改動溝道中的電子密度,從而改動溝道的電阻。這種MOS場效應晶體管稱為P溝道增強型場效應晶體管。假設N型硅襯底表面不加柵壓就已存在P型反型層溝道,加上恰當的偏壓,可使溝道的電阻增大或減小。這樣的MOS場效應晶體管稱為P溝道耗盡型場效應晶體管。統稱為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,加之器件跨導小,所以工作速度更低,在P溝道MOS管開關電路(見N溝道金屬—氧化物—半導體集成電路)呈現之后,多數已為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字控制電路仍采用PMOS電路技術。PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會導通,適宜用于源極接VCC時的情況(高端驅動)。但是,固然PMOS可以很便當地用作高端驅動,但由于導通電阻大,價錢貴,交流種類少等緣由,在高端驅動中,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應為負值,以保證兩個P區與襯底之間的PN結均為反偏,同時為了在襯底頂表面左近構成導電溝道,柵極對源極的電壓Vgs也應為負。


                            1.Vds≠O的情況導電溝道構成以后,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Vds增大到使Vgd=Vgs(TH),溝道在漏極左近呈現預夾斷.


                            2.導電溝道的構成(Vds=0)當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型半導體中的多子電子被負電荷排斥向體內運動,表面留下帶正電的離子,構成耗盡層,隨著G、S間負電壓的增加,耗盡層加寬,當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成一個P型薄層,稱反型層,這個反型層就構成漏源之間的導電溝道,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的大小控制導電溝道的寬度。


                            P溝道MOS管開關電路

                            下圖是兩種P溝道MOS管開關電路應用:其中第一種NMOS管為高電平導通,低電平截斷,Drain端接后面電路的接地端;第二種為P溝道MOS管開關電路,為高電平斷開,低電平導通,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。在功率系統中,MOSFET可被看成電氣開關。當在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時,其開關導通。導通時,電流可經開關從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內阻,稱為導通電阻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,器件將不能按設計意圖工作,并可能在不恰當的時刻導通或關閉,導致系統產生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時,P溝道MOS管開關電路關閉,而電流停止通過器件。雖然這時器件已經關閉,但仍然有微小電流存在,這稱之為漏電流,即IDSS。



                            P溝道MOS管開關電路

                            第一步:選用N溝道還是P溝道

                            為設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。在典型的功率應用中,當一個MOSFET接地,而負載連接到干線電壓上時,該MOSFET就構成了低壓側開關。在低壓側開關中,應采用N溝道MOSFET,這是出于對關閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOSFET連接到總線及負載接地時,就要用高壓側開關。通常會在這個拓撲中采用P溝道MOS管開關電路,這也是出于對電壓驅動的考慮。



                            第二步:確定額定電流

                            第二步是選擇MOSFET的額定電流。視電路結構而定,該額定電流應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,即使在系統產生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續模式和脈沖尖峰。該參數以FDN304P管DATASHEET為參考,參數如圖所示:



                            P溝道MOS管開關電路
                            在連續導通模式下,MOSFET處于穩態,此時電流連續通過器件。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,還必須計算導通損耗。在實際情況下,MOSFET并不是理想的器件,因為在導電過程中會有電能損耗,這稱之為導通損耗。MOSFET在“導通”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??;反之RDS(ON)就會越高。對系統設計人員來說,這就是取決于系統電壓而需要折中權衡的地方。對便攜式設計來說,采用較低的電壓比較容易(較為普遍),而對于工業設計,可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升。關于RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在制造商提供的技術資料表中查到。



                            P溝道MOS管開關電路

                            第三步:確定熱要求

                            選擇MOSFET的下一步是計算系統的散熱要求。設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果,因為這個結果提供更大的安全余量,能確保系統不會失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數據;比如封裝器件的半導體結與環境之間的熱阻,以及最大的結溫。



                            P溝道MOS管開關電路
                            器件的結溫等于最大環境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結溫=最大環境溫度+[熱阻×功率耗散])。根據這個方程可解出系統的最大功率耗散,即按定義相等于I2×RDS(ON)。由于設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,設計人員還必須考慮半導體結/器件外殼及外殼/環境的熱容量;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的導通條件要求VGS要大于閾值,這將導致控制電壓必然大于所需的電壓,會出現不必要的麻煩。選用PMOS作為控制開關,有下面兩種應用:


                            P溝道MOS管開關電路
                            第一種應用,P溝道MOS管開關電路由PMOS來進行電壓的選擇,當V8V存在時,此時電壓全部由V8V提供,將PMOS關閉,VBAT不提供電壓給VSIN,而當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定地拉低,PMOS管經典開關電路確保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通導致了開關管的功能不能達到,實際應用要注意。



                            P溝道MOS管開關電路
                            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,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MCU內部管腳并沒有上拉時,即輸出為開漏時,并不能驅動PMOS關閉,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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