谈谈MOS管的实际用法
ARM与嵌入式 2024-05-22
当我说到MOS管的时候呢,你的脑子里可能是一团糨糊的。 大部分的教材都会告诉你长长的一段话:

MOS管全称金属氧化半导体场效应晶体管,英文名Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,属于绝缘栅极场效晶体管,以硅片为秤体,利用扩散工艺制作.......有N沟道和P沟道两个型。不仅如此,它还有两个兄弟,分别是结型场效应管以及晶体场效应管.......

面对这么大一段话,我不知道你有没有搞明白,反正我大学里是完全没有搞明白,学了一个学期就学了个寂寞。

本文抛开教科书上的裹脚布,从应用层面出发来给大家介绍一下MOS管里面最常见也是最容易使用的一种:增强型NMOS管,简称NMOS。当你熟悉了这个NMOS的使用之后呢,再回过头去看这个教材上的内容,我相信就会有不同的体会了。

NMOS的用法 首先来看这么一张简单的图,如下,我们可以用手去控制这个开关的开合,以此来控制这个灯光的亮灭。

那如果我们想要用Arduino或者单片机去控制这个灯泡的话呢,就需要使用MOS管来替换掉这个开关了。为了更加符合我们工程的实际使用习惯呢,我们需要把这张图稍微转换一下,就像如下图这样子。

那这两张图是完全等价的,我们可以看到MOS管是有三个端口,也就是有三个引脚,分别是gate,drain和source。只要记住他们分别简称g、d、s就可以,如下图。

我们把单片机的一个IO口接到这个MOS管的gate端口,就可以控制这个灯泡的亮灭了。当然别忘了供电。当这个单片机的IO口输出为高的时候,NMOS就等效为这个被闭合的开关,指示灯光就会被打开;那输出为低的时候呢,这个NMOS就等效为这个开关被松开了,那此时这个灯光就被关闭,是不很简单。

那如果我们不停的切换这个开关,那灯光就会闪烁。如果切换的这个速度再快一点,因为人眼的视觉暂留效应,灯光就不闪烁了。此时我们还能通过调节这个开关的时间来调光,这就是所谓的PWM波调光,以上就是MOS管最经典的用法,它实现了单片机的IO口控制一个功率器件。当然你完全可以把灯泡替换成其他的器件。器件比如说像水泵、电机、电磁铁这样的东西。MOS管实现的小玩意,点击观看:用MOSFET实现的小玩意儿

如何选择NMOS 明白了NMOS的用法之后呢,我们来看一下要如何选择一个合适的NMOS,也就是NMOS是如何选型的。

那对于一个初学者来说,有四个比较重要的参数需要来关注一下。第一个是封装,第二个是vgsth,第三个是Rdson上,第四个是Cgs。

封装比较简单,它指的就是一个MOS管这个外形和尺寸的种类也有很多。一般来说封装越大,它能承受的电流也就越大。为了搞明白另外三个参数呢,我们先要来介绍一下NMOS的等效模型,如下图。

MOS其实可以看成是一个由电压控制的电阻。这个电压指的是g、s两端的电压差,电阻指的是d、s之间的电阻。这个电阻的大小呢,它会随着g、s电压的变化而产生变化。当然它们不是线性对应的关系,实际的关系差不多像这样的,横坐标是g、s电压差。Rds与Vgs关系图,如下

纵坐标是电阻的值,当g、s的电压小于一个特定值的时候呢,电阻基本上是无穷大的。然后这个电压值大于这个特定值的时候,电阻就接近于零,至于说等于这个值的时候会怎么样,我们先不用管这个临界的电压值,我们称之为vgsth,也就是打开MOS管需要的g、s电压,这是每一个MOS管的固有属性,我们可以在MOS管的数据手册里面找到它,如下。

显然vgsth一定要小于这个高电平的电压值,否则的话就没有办法被正常的打开。所以在你选择这个MOS管的时候,如果你的高电平是对应的5V,那么选3V左右的vgsth是比较合适的。太小的话会因为干扰而误触发,太大的话又打不开这个MOS管。

接下来我们再来看看NMOS的第二个重要参数Rdson,刚才有提到NMOS被完全打开的时候,它的电阻接近于零。但是无论多小,它总归是有一个电阻值的,这就是所谓的Rdson。它指的是NMOS被完全打开之后,d、s之间的电阻值。同样的你也可以在数据手册上找到它。这个电阻值当然是越小越好。越小的话呢,它分压分的少,而且发热也相对比较低。但实际情况一般Rdson越小,这个NMOS的价格就越高,而且一般对应的体积也会比较大。所以还是要量力而行,选择恰好合适。

最后说一下Cgs,这个是比较容易被忽视的一个参数,它指的是g跟s之间的寄生电容。所有的NMOS都有,这是一个制造工艺的问题,没有办法被避免。

那它会影响到NMOS打开速度,因为加载到gate端的电压,首先要给这个电容先充电,这就导致了g、s的电压并不能一下子到达给定的一个数值。

它有一个爬升的过程。当然因为Cgs比较小,所以一般情况下我们感觉不到它的存在。但是当我们把这个时间刻度放大的时候,我们就可以发现这个上升的过程了。对于这个高速的PWM波控制场景是致命的。当PWM波的周期接近于这个爬升时间时,这个波形就会失真。一般来说Cgs大小和Rdson是成反比的关系。Rdson越小,Cgs就越大。所以大家要注意平衡他们之间的关系。

以上就是关于NMOS需要初步掌握的知识了。


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