场效应管分类

场效应管分为结型(JFET)和金属 - 氧化物 - 半导体型(MOSFET)两种类型。

 

JFET 的英文全称是 Junction Field-Effect Transistor,也分为 N 沟道和 P 沟道两种,在实际中几乎不用。

 

MOSFET 英文全称是 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,应用广泛,MOSFET 一般称 MOS 管

 

 

MOSFET 有增强型和耗尽型两大类,增强型和耗尽型每一类下面都有 NMOS 和 PMOS。

 

增强型 MOS 管的英文为 Enhancement MOS 或者 EMOS,耗尽型 MOS 管的英文为 Depletion MOS 或者 DMOS。


一般主板上使用最多的是增强型 MOS 管,NMOS 最多,一般多用在信号控制上,其次是 PMOS,多用在电源开关等方面,耗尽型几乎不用。

 


▉ N 和 P 区分

如下红色箭头指向 G 极的为 NMOS,箭头背向 G 极的为 PMOS。

 


▉ 寄生二极管

 

由于生产工艺,一般的 MOS 管会有一个寄生二极管,有的也叫体二极管。

 


红色标注的为体二极管

 

从上图可以看出 NMOS 和 PMOS 寄生二极管方向不一样,NMOS 是由 S 极→D 极,PMOS 是由 D 极→S 极。

 

寄生二极管和普通二极管一样,正接会导通,反接截止,对于 NMOS,当 S 极接正,D 极接负,寄生二极管会导通,反之截止;对于 PMOS 管,当 D 极接正,S 极接负,寄生二极管导通,反之截止。

 

某些应用场合,也会选择走体二极管,以降低 DS 之间的压降(体二极管的压降是比 MOS 的导通压降大很多的),同时也要关注体二极管的过电流能力。


当满足 MOS 管的导通条件时,MOS 管的 D 极和 S 极会导通,这个时候体二极管是截止状态,因为 MOS 管的导通内阻极小,一般 mΩ级别,流过 1A 级别的电流,也才 mV 级别,所以 D 极和 S 极之间的导通压降很小,不足以使寄生二极管导通,这点需要特别注意。

 

▉ 导通条件

MOS 管是压控型,导通由 G 和 S 极之间压差决定。

 

对 NMOS 来说,Vg-Vs>Vgs(th),即 G 极和 S 极的压差大于一定值,MOS 管会导通,但是也不能大太多,否则烧坏 MOS 管,开启电压和其他参数可以看具体器件的 SPEC。

 

对 PMOS 来说,Vs-Vg>Vgs(th),即 S 极和 G 极的压差大于一定值,MOS 管会导通,同样的,具体参数看器件的 SPEC。

 

▉ 基本开关电路

NMOS 管开关电路

当 GPIO_CTRL 电压小于 MOS 管开启电压时,MOS 管截止,OUT 通过 R1 上拉到 5V,OUT=5V。

 

当 GPIO_CTRL 电压大于 MOS 管开启电压时,MOS 管导通,D 极电压等于 S 极电压,即 OUT=0V。

 

 

PMOS 管开关电路

PMOS 管最常用在电源开关电路中,下图所示,当 GPIO_CRTL=0V 时,S 和 G 极压差大于 MOS 管开启电压时,MOS 管导通,5V_VOUT=5V_VIN。

 

 

▉ 与三极管的区别

三极管是电流控制,MOS 管是电压控制,主要有如下的区别:

 

1,只容许从信号源取少量电流的情况下,选用 MOS 管;在信号电压较低,有容许从信号源取较多电流的条件下,选用三极管。

 

2,MOS 管是单极性器件(靠一种多数载流子导电),三极管是双极性器件(既有多数载流子,也要少数载流子导电)。

 

3,有些 MOS 管的源极和漏极可以互换运用,栅极也可正可负,灵活性比三极管好。

 

4,MOS 管应用普遍,可以在很小电流和很低电压下工作。

 

5,MOS 管输入阻抗大,低噪声,MOS 管较贵,三极管的损耗大。

 

6,MOS 管常用来作为电源开关,以及大电流开关电路、高频高速电路中,三极管常用来数字电路开关控制。

 

▉ G 和 S 极串联电阻的作用

MOS 管的输入阻抗很大,容易受到外界信号的干扰,只要少量的静电,就能使 G-S 极间等效电容两端产生很高的电压,如果不及时把静电释放掉,两端的高压容易使 MOS 管产生误动作,甚至有可能击穿 G-S 极,起到一个固定电平的作用。

 

▉ G 极串联电阻的作用

MOS 管是压控型,有的情况下,为什么还需要在 G 极串联一个电阻呢?

 

1,减缓 Rds 从无穷大到 Rds(on)。
2,防止震荡,一般单片机的 I/O 输出口都会带点杂散电感,在电压突变的情况下,可能与栅极电容形成 LC 震荡,串联电阻可以增大阻尼减小震荡效果。
3,减小栅极充电峰值电流。

 

▉ MOS 管的米勒效应

关于 MOS 管的米勒效应,可以阅读文章:臭名昭著的 MOS 管米勒效应

 

▉ 选型要点

1. 电压值
关注 Vds 最大导通电压和 Vgs 最大耐压,实际使用中,不能超过这个值,否则 MOS 管会损坏。

 

关注导通电压 Vgs(th),一般 MOS 管都是用单片机进行控制,根据单片机 GPIO 的电平来选择合适导通阈值的 MOS 管,并且尽量留有一定的余量,以确保 MOS 可以正常开关。

 

2. 电流值
关注 ID 电流,这个值代表了 PMOS 管的能流过多大电流,反应带负载的能力,超过这个值,MOS 管也会损坏。

 

3. 功率损耗
功率损耗需要关注以下几个参数,包括热阻、温度。热阻指的是当有热量在物体上传输时,在物体两端温度差与热源的功率之间的比值,单位是℃/W 或者是 K/W,热阻的公式为 ThetaJA = (Tj-Ta)/P,和功率和环境温度都有关系。

 

4. 导通内阻
导通内阻关注 PMOS 的 Rds(on)参数,导通内阻越小,PMOS 管的损耗越小,一般 PMOS 管的导通内阻都是在 mΩ级别。

 

5. 开关时间
MOS 作为开关器件,就会有开关时间概念,在高速电路中,尽可能选择输入、输出电容 Ciss&Coss 小、开关时间 Ton&Toff 短的 MOS 管,以保证数据通信正常。

 

参数解释推荐阅读文章:带你读懂 MOS 管参数「热阻、输入输出电容及开关时间」

 

6. 封装
根据 PCB 板的尺寸,选择合适的 PMOS 管尺寸,在板载面积有限的情况下,尽可能选择小封装;尽量选择常见封装,以备后续选择合适的替代料。