低開啟電壓MOS管詳解-低開啟電壓MOS管如何進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-09-05
低開啟電壓(YGS（th））也稱為“柵極閾值電壓”，這個(gè)數(shù)值的選擇在這里主要與用作比擬器的運(yùn)放有火。VMOS不像BJT，柵極相關(guān)于源極需求有一定的電壓才干開通，這個(gè)電壓的最低值（通常是一個(gè)范圍）稱為開啟電壓，飽和導(dǎo)通電壓普通為開啟電壓的一倍左右，假如技術(shù)手冊(cè)給出的開啟電壓是一個(gè)范圍，取最大值。VMOS的開啟電壓普通為5V左右，低開啟電壓的種類有2V左右的。假如采用5. 5V丁作電壓的運(yùn)放，其輸出電平最大約為土2.5V，即便采用低開啟電壓的VMOS，如圖2.6中的2SK2313，最低驅(qū)動(dòng)電平也至少為土5V，因而依據(jù)上文關(guān)于運(yùn)放的選擇準(zhǔn)繩，5.5V工作電壓的運(yùn)放實(shí)踐上是不能用的，引薦的工作電壓最低為±6V，由于運(yùn)放的最高輸出電平通常會(huì)略低于工作電壓，即便是近年來開端普遍應(yīng)用的“軌至軌”輸入／輸出的運(yùn)放也是如此。
P溝道VMOS當(dāng)然也能用，只是驅(qū)動(dòng)辦法與N溝道相反。不過，直到現(xiàn)在，與N溝通同一系列同電壓規(guī)格的P溝通的VMOS，普通電流規(guī)格比N溝道的低，而飽和導(dǎo)通電壓比N溝道高。因而選N溝道而不選P溝道。
俗稱耐壓，至少應(yīng)該為主繞組的3倍，需求留意的是，主繞組的電壓指的是圖2.6中的N2或者N3，而不是二者相加。詳細(xì)而言，圖中為10.5V，因而Q1、Q2的電壓規(guī)格至少為31.5V，思索到10%的動(dòng)搖和1.5倍的保險(xiǎn)系數(shù)，則電壓規(guī)格不應(yīng)該低于31.5 X 1.1X 1.5＝52V。圖中的2SK2313的電壓規(guī)格為60v，契合請(qǐng)求。
其次，依據(jù)普通經(jīng)歷，電壓規(guī)格超越200V的VMOS，飽和導(dǎo)通電阻的優(yōu)勢(shì)就不明顯了，而本錢卻比二極管高得多，電路也復(fù)雜。因而，用作同步整流時(shí)，主繞組的最高電壓不應(yīng)該高于40V。
這個(gè)問題主要與最大耗散功率有關(guān)，由于計(jì)算辦法復(fù)雜并且需求實(shí)驗(yàn)停止驗(yàn)證，因而也能夠直接用理論辦法進(jìn)行肯定，即在實(shí)踐的工作環(huán)境中，依照最極端的最高環(huán)境溫度，比方夏天比擬熱的溫度，如35℃，依據(jù)實(shí)踐所需求的工作電流，接上適宜的假負(fù)載，連續(xù)工作2小時(shí)左右，假如MOS管散熱片(TAB)不燙手，就根本上能夠運(yùn)用。這個(gè)辦法固然粗略，但是很簡(jiǎn)單適用。
越小越好，典型值最好小于10mQ，這個(gè)數(shù)值以從技術(shù)手冊(cè)上查到。
導(dǎo)通與截止由柵源電壓來控制，對(duì)于增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管來說，N溝道的管子加正向電壓即導(dǎo)通，P溝道的管子則加反向電壓。一般2V～4V就可以了。但是，場(chǎng)效應(yīng)管分為增強(qiáng)型（常開型）和耗盡型（常閉型），增強(qiáng)型的管子是需要加電壓才能導(dǎo)通的，而耗盡型管子本來就處于導(dǎo)通狀態(tài)，加?xùn)旁措妷菏菫榱耸蛊浣刂埂?/span>
開關(guān)只有兩種狀態(tài)通和斷，三極管和場(chǎng)效應(yīng)管工作有三種狀態(tài)：
1、截止；
2、線性放大；
3、飽和（基極電流繼續(xù)增加而集電極電流不再增加）；
使晶體管只工作在1和3狀態(tài)的電路稱之為開關(guān)電路，一般以晶體管截止，集電極不吸收電流表示關(guān)；以晶體管飽和，發(fā)射極和集電極之間的電壓差接近于0V時(shí)表示開。開關(guān)電路用于數(shù)字電路時(shí)，輸出電位接近0V時(shí)表示0，輸出電位接近電源電壓時(shí)表示1。所以數(shù)字集成電路內(nèi)部的晶體管都工作在開關(guān)狀態(tài)。 場(chǎng)效應(yīng)管按溝道分可分為Ｎ溝道和Ｐ溝道管（在符號(hào)圖中可看到中間的箭頭方向不一樣）。
按材料分可分為結(jié)型管和絕緣柵型管，絕緣柵型又分為耗盡型和增強(qiáng)型，一般主板上大多是絕緣柵型管簡(jiǎn)稱MOS管，并且大多采用增強(qiáng)型的Ｎ溝道，其次是增強(qiáng)型的Ｐ溝道，結(jié)型管和耗盡型管幾乎不用。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫(FET)）簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管.由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,也稱為單極型晶體管.它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件.場(chǎng)效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電,所以稱之為單極型器件,而晶體管是即有多數(shù)載流子,也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電,被稱之為雙極型器件.有些場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用,柵壓也可正可負(fù),靈活性比晶體管好。
導(dǎo)通時(shí)序可分為to~t1、t1~t2、 t2~t3 、t3~t4四個(gè)時(shí)間段，這四個(gè)時(shí)間段有不同的等效電路。
1）t0-t1：C GS1 開始充電，柵極電壓還沒有到達(dá)V GS（th），導(dǎo)電溝道沒有形成，MOSFET仍處于關(guān)閉狀態(tài)。
2）[t1-t2]區(qū)間, GS間電壓到達(dá)Vgs（th），DS間導(dǎo)電溝道開始形成，MOSFET開啟，DS電流增加到ID, Cgs2 迅速充電，Vgs由Vgs（th）指數(shù)增長(zhǎng)到Va。
3）[t2-t3]區(qū)間,MOSFET的DS電壓降至與Vgs相同,產(chǎn)生Millier效應(yīng)，Cgd電容大大增加,柵極電流持續(xù)流過，由于C gd 電容急劇增大，抑制了柵極電壓對(duì)Cgs 的充電,從而使得Vgs 近乎水平狀態(tài)，Cgd 電容上電壓增加,而DS電容上的電壓繼續(xù)減小。
4）[t3-t4]區(qū)間,至t3時(shí)刻,MOSFET的DS電壓降至飽和導(dǎo)通時(shí)的電壓,Millier效應(yīng)影響變小，Cgd 電容變小并和Cgs 電容一起由外部驅(qū)動(dòng)電壓充電, Cgs 電容的電壓上升,至t4時(shí)刻為止.此時(shí)C gs 電容電壓已達(dá)穩(wěn)態(tài),DS間電壓也達(dá)最小，MOSFET完全開啟。
對(duì)于一個(gè)電子產(chǎn)品，總功耗為該產(chǎn)品正常工作時(shí)的電壓與電流的乘積，這就是低功耗設(shè)計(jì)的需要注意事項(xiàng)之一。
為了降低產(chǎn)品的功耗，在電子產(chǎn)品開發(fā)時(shí)盡量采用低開啟電壓MOS管的產(chǎn)品。比如一個(gè)產(chǎn)品，曾經(jīng)用5v單片機(jī)正常工作，后來又了3.3v的單片機(jī)或者工作電壓更低的，那么就是在第一層次中進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)，這也就是我們常說的研發(fā)前期低功耗器件選擇。這一般需要有廣闊的芯片涉獵范圍或者與供應(yīng)商有良好的溝通。
其次是模塊工作的選擇控制，一般選擇具有休眠功能的芯片。比如在設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)中，如果某些外部模塊在工作中是不經(jīng)常使用的，我們可以使其進(jìn)入休眠模式或者在硬件電路設(shè)計(jì)中采用數(shù)字開關(guān)來控制器工作與否，當(dāng)需要使用模塊時(shí)將其喚醒，這樣我們可以在整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式時(shí)，關(guān)閉一些不必要的器件，以起到省電的作用，延長(zhǎng)了待機(jī)時(shí)間。一般常用方法：①具有休眠模式的功能芯片②MOS管做電子開關(guān)③具有使能端的LDO芯片。
再次，選擇具有省電模式的主控芯片。現(xiàn)在的主控芯片一般都具有省電模式，通過以往的經(jīng)驗(yàn)可以知道，當(dāng)主控芯片在省電模式條件下，其工作電流往往是正常工作電流的幾分之一，這樣可以大大增強(qiáng)消費(fèi)類產(chǎn)品電池的使用時(shí)間。同時(shí)，現(xiàn)在一些控制芯片具有雙時(shí)鐘的模式，通過軟件的配置使芯片在不同的使用場(chǎng)合使用不同的外部始終從而降低其功耗。這與始終分頻器具有異曲同工之妙，不同之處想必就是BOM的價(jià)格問題?，F(xiàn)在火爆的APPLE WATCH就是低功耗的一個(gè)例子：全功能運(yùn)行3-4小時(shí)，持續(xù)運(yùn)行18小時(shí)。
主控芯片或者相關(guān)模塊喚醒的方式選擇。通常進(jìn)過以上的步驟設(shè)計(jì)好了硬件結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)需要省電，在什么時(shí)候進(jìn)入省電模式，這一般在軟件設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)，但是最主要還是需要根據(jù)產(chǎn)品的功能特性來決定了。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入了省電模式，而系統(tǒng)的喚醒也需要控制。一般系統(tǒng)的喚醒分為自動(dòng)喚醒和外部喚醒。
A、自動(dòng)喚醒是使用芯片內(nèi)部的定時(shí)器來計(jì)時(shí)睡眠時(shí)間，當(dāng)睡眠時(shí)間達(dá)到預(yù)定時(shí)間時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行喚醒。這與我們使用的看門狗或者中斷有比較相近之處，不同就是其工作與否的時(shí)序。
B、 外部喚醒就是芯片一直處于一種休眠狀態(tài)，當(dāng)有一個(gè)外部事件(主要是通過接口)來對(duì)芯片進(jìn)行一個(gè)觸發(fā)，則芯片會(huì)喚醒，在事件處理之后消除該觸發(fā)事件而在此進(jìn)入休眠狀態(tài)。因此，根據(jù)系統(tǒng)的特性，就需要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，來決定如何使用睡眠及喚醒，以降低系統(tǒng)的功耗。
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