MOSFET讲解（7）

MOSFET讲解

接下来我们继续研究下面这幅图。

在t2~t3期间：放大区

在t3之后：饱和区

当饱和之后，Rdson很小，分压下来，漏极电压就会很低。

理论上Vds直线下降，但事实上是非线性的。在实际测试波形时，中间那一段非线性不一定能测得出来。那么，在t3时刻之后，Vds的曲线就如下图所示。

那么接下来讨论t3时刻之后，米勒效应就消失，固有转移特性结束。

当米勒效应消失，就只有原来的红色这条回路了。

实际上米勒电容和电压也有关系，Crss电容不是一成不变的，与漏极的电压也有关系，漏极电压越高，效应越明显；漏极电压越低，效应不明显。这就是为什么高压的管子怕米勒效应，低压的管子不怕，这都是和漏极电压有关系的。结论：高压系统中的管子，越要注意米勒效应。理论上讲，t3时刻之后，Vds就是Rdson两端的压降，待会儿再讨论这个压降还会受什么因素的影响。

我们知道，在米勒平台之后，只有红色这一条回路，Vgs电压继续上升，最终充到12V。

对于MOS管来说，放大区是危险区域。那么进入饱和区之后，还要深入去研究Rdson，也就是说，在饱和区内Rdson还会受到Vgs电压幅值的影响。为什么呢？理论上讲，过了平台区就完全饱和了，而平台区的电压比如说4.5V，那么5V就完全饱和了啊。但事实上，由于MOSFET内在的特性，Rdson还没达到最小，随着Vgs两端电压幅值的升高，Rdson还会继续降低。那么，是不是Vgs越大越好呢？实际上，当电压大于10V时，Rdson就变化不那么明显了。所以，一般我们都用12V 15V作为Vgs的驱动电压，一般情况下，Vgs不要超过±20V，否则管子会损坏。那么，一般为了降低导通损耗，就需要提高Vgs，这是因为P=I^2*Rdson。

不管是MOSFET还是三极管，幅值都需要限额，包括电压、电流、功率等。

这里顺便讲一下器件的电气特性。

器件的电气特性:

电压、电流、功率（器件本身的损耗）、封装

器件的极限：

dv/dt ，di/dt，峰值下对应的时间（不能承受太长时间）

根据刚刚的分析，t3时刻之后的一小段时间还是有一点点下降的，等到Vgs电压12V时，Rdson才会真正的是一条直线。

MOSFET讲解（6）

MOSFET讲解

我们知道了三极管 MOS管在进入饱和导通之前，必然会经过放大区。好在三极管经过放大区的时间很短，但是MOS管在米勒平台这段区域的时间会更长，也会更容易损坏。

上面是Vgs波形，接下来我们来看Vds波形是什么样子的。

那么，我们知道当Vgs电压达到Vth时，MOS管进入放大导通区域，而此时D端的电位会从原来的200V在t1~t2期间内会有略微的下降。

同时，我们也知道，在Vgs电压达到Vth时，Id开始有电流了。

我们通过固有转移特性知道，Vgs和Id成比例变化的，所以在米勒平台区域Id电流也是几乎没有变化，理想情况下，我们就认为它们是不变的。

那么，到了某一时刻（t3），米勒平台效应就会结束。在米勒平台期间，MOS管的DS内阻Rdson在逐渐变小。

工作在米勒平台区域，与工作在平台后的区域，管子的功耗问题。

工作在米勒平台区域：管子内阻虽然在变小，但是还是很大。由于电流都是最大，所以功耗大。

工作在平台区域之后：由于Rdson极小，所以功耗小。

管子工作在饱和导通状态，相对比较安全。但是还是比较怕很高的dv/dt   di/dt，因为这样斜率很陡，就会对MOS管产生冲击。一般在半导体器件的数据手册里面，都会标出它所能承受的最大的dv/dt  di/dt。实际上MOS管有很多种沟道:

最下面的沟道抗冲击最强，不过是英飞凌的，申请了发明专利。

我们知道了，MOS管在米勒平台区发热量极大，内部结温很高，如果来了一个很大的冲击能量，还没等到结温往外散掉，就已经损坏了。如果你这个时候，虽然在外部测量到的表面温度不高，但是已经损坏，就是有可能是这个原因所导致的。

MOSFET讲解（5）

MOSFET讲解

上面是一个正常情况下，电容两端电压的充电波形。但事实上，MOSFET除了在GS端存在电容之外，它还有GD电容，DS电容。那么，GD之间的电容，我们把它称之为米勒电容，实际上米勒电容有一个米勒效应的。

米勒效应，实际上是有一个固有的转移特性。在这个转移特性里面有什么关系呢？就是：栅极的电压Vgs和漏极的电流Id保持一个比例关系。

其实，对于MOSFET来说，有一个起始开通电压，叫做Vth。

当MOSFET达到起始开通电压Vth之后，Id就开始有电流了，但是这个时候，电流小，然后Vgs电压继续上升，Id也会继续上升，当上升到米勒效应的时候，就会发生固有转移特性。

我们知道了，当gs电容的电压达到Vth时，Id有电流的，就表示有通路，那么栅极的电压就有了另一条通路了。

也就是上面这幅图中紫色的这条通路。那么GS电容在达到Vth之后，会继续上升，当到达t2时刻时，Id电流就达到最大了，也可以说电流保持不变是吧。那么，既然漏极的电流保持不变，根据固有转移特性，是不是栅极电压也保持不变啊（固有转移特性：栅极电压Vgs和漏极电流Id保持一个比例关系）。

我们把栅极电压不变的这段区域叫做米勒平台区，而且MOSFET处于放大状态。那么会有人有疑问了，既然是达到放大状态，为什么电流能达到最大值呢？这和内阻分析法不是有矛盾吗？实际上是没有矛盾的。

我们用三极管来举例:

假设上面这个三极管处于饱和导通状态，放大倍数β=100，当be流过1mA电流时，Ic的电流是100mA。由于三极管处于饱和导通状态，那么C极的电位是0.3V的饱和压降，那么，根据上面这个电路图来看，如果忽略CE压降的话，根据欧姆定律：Ic=12V/100R=120mA。但实际上三极管所能达到的最大Ic电流是100mA。那么，我们来看看三极管饱和导通时的功耗问题。

饱和导通：

Ib=1mA，Ic=100mA

三极管功耗：

b极功耗：0.7V*1mA

c极功耗：0.3V*100mA

很明显，三极管在饱和导通时，功耗不大。那么，再来看一下三极管放大状态时的功耗。

由于三极管的射极电压跟随，输出电压是5V，而左边是12V（忽略100R压降），那么CE压差就是7V了。此时三极管处于放大导通状态，而三极管的be电流还是1mA。

放大导通：

Ib=1mA   Ic=100mA

三极管功耗：

b极功耗 0.7V*1mA

c极功耗 7V*100mA

根据上面的分析，三极管放大状态的功耗是饱和状态的23倍。三极管在放大导通状态下，C极电流是具有100mA的输出能力的。但是，一般情况下，我们都是降额使用，否则会发热损坏掉。所以，三极管工作在放大状态，就特别要考虑功耗问题。

我们再回到之前的MOSFET放大状态，对于MOSFET来说，它的Id电流其实是受后级负载决定的，不是工程师所能控制的。但是MOSFET在开通过程中，必须要经过这个放大区，只不过这个放大区功耗特别的大，所以就需要这个放大区的时间就要特别的短。MOSFET在这个区域特别危险，坏的最多。

三极管和MOSFET从关断到完全饱和导通的过程中，中间必然会经过放大区。为什么说三极管也是经过放大区呢？比如说，我们把三极管设计在饱和导通状态。我们说在理想情况下，三极管的输入信号是这样子的。

但是，这只是理想。事实上，由于受驱动能力的影响，都做不到90°上升。实际上数字器件也有一个斜率的问题，只不过有时间的长短。

严格的说，它的波形是一个梯形的，并不是一个方波。

假设驱动电压上升到一个很小的值，比如说0.7V附近的时候，虽然达到了三极管的开通阈值电压，但是回路中有一个电阻，电流就很小，小到什么程度呢？大概只有nA级，是一个上升的过程。1nA  10nA  1uA  100uA  500uA  1mA最后到饱和导通，但是中间必然经过放大区，但是这个放大区的时间极短。所以说三极管也不怎么容易坏。但是MOSFET它不是，它的时间比较长，所以就容易坏。

MOSFET讲解（4）

MOSFET讲解

我们上一章讲到了米勒电容，它在MOSFET开通过程中，扮演着十分重要的角色。为什么呢？待会儿再来看。

我们先来研究一下MOSFET如何进行导通的。首先，它和三极管一样，也有一个导通阈值。在模电里面，阈值的概念是必须要理解的。也就是说，任何器件的导通和关断都要有一定的电压，对应的就是开通电压 和 关断电压，我们把这个电压叫做阈值。同样的，MOSFET也有阈值电压。

MOSFET导通电压：4.5V 2V 1V。

这个电压的高低在我们电路中，有多大的作用呢？我们知道了，MOSFET栅源之间是有压差Vgs（导通阈值电压），那么，由于布局等因素，GND上会有干扰存在，地上就会毛刺，所以，控制的信号线上也会有干扰毛刺吧，这些毛刺是叠加在有效的控制波形上的，比如说叠加在方波上。

如上图所示，比如说地上有了毛刺了，本来是不导通的，由于毛刺的存在，就会让MOSFET误导通。

同样的，在高电平时也可能会产生毛刺是吧。那么高的毛刺没有关系，低的毛刺有可能造成误关断。上面讲的误关断，误开通，我们叫做误触发。

所以，从抗干扰角度来看：阈值电压越高越好。当然，高阈值和低阈值都有它们各自的优缺点。等我们把MOSFET导通原理讲清楚了之后，再来分析阈值高低阈值导通电压的各自优势劣势，这涉及到器件选型。

我们接下来来研究MOSFET的导通，就用比较经典的4.5V导通阈值电压来进行讲解。

我们看上面这幅图。我们知道，对于N型的晶体管或者三极管来说，要想饱和导通，它的E极需要接地。但是对于MOSFET来说，要想导通，不一定非要接地，而是谈它的GS之间的压差，也就是GS压差要大于4.5V（这是假设导通阈值是4.5V），换句话说，GS电容上两端的电压>4.5V，MOSFET就是导通的。这个和三极管还是有区别的。

所以，MOSFET的S源极也可以接地，也可以不接地，只要压差大于4.5V，它就导通。不过，为了后面的讨论方便，我们还是把S极接地，讨论起来就相对方便。

假设栅极加一个控制信号时：

高电平肯定需要大于4.5V，这里我们取12V。高电平，我们叫做ON，代表管子开通；低电平就是OFF了，为0V。

我们先看ON期间，管子是导通的是吧，来看一下它的回路是什么样子的。

分别有两个回路，如上图所示。当有了回路之后，还要分2种情况进行讨论。

我们看GS之间的电阻和电容，它们的阻抗是一样的吗？需要讨论在充电瞬间，电阻R2和电容C3的内阻关系。

很明显，刚开始电压刚刚上电时，电容等效成短路，基本上电流都是从电容上走的。随着给电容进行充电，这个时候电容上的电压越来越高，电容的等效阻抗也会越来越高，那么，电阻也会流过电流。

GS电容充电过程分三个阶段：

1. GS电容的内阻为0，几乎所有的电流，从电容上走；

2. GS电容没有充满的情况下，电流分别从电阻及电容流过，但主要的电流依旧   从电容走；

3. 电容充满了，电流不从电容走，只有很小的电流从电阻走。

这个阶段我们讨论的是：GS电容和下拉电阻的回路分流问题。

上图就是GS电容的充电电压波形示意。

MOSFET讲解（3）

MOSFET讲解

接下来我们要讲一下开通和关断的问题了。那么，MOSFET如何进行开通，如何进行关断呢？以及在这个过程中，会不会也产生损耗。

那么在讲这个之前，我再做一个补充：

这个电路是断路的，一旦GS电容上有电的话，那么DS实际上是导通的，与有没有回路没有关系。正式因为这样子的一个特性，那么，我们拿到一个管子的时候，我们也不知道这个管子GS有没有电，这个管子有可能是导通的，放到电路上去焊接的时候，可能会出现问题。为了考虑到安全性，我们必须在电路设计的时候，在MOSFET的G和S之间要加一个电阻，这样子就可以让GS电容进行放电，有了这样的一个放电回路，不管前面驱动端是高阻态也好，是断路也好，反正G和S之间是有回路的，确保管子是关闭的。

我们把GS之间接一个下拉电阻。那么接下来就要看，这个下拉电阻的取值。实际上这个下拉电阻相当于三极管N管的下拉电阻。我们说，学习MOS管，要对标我们大家都熟悉的三极管，这样就更轻松，更容易理解。

我们说，这个下拉电阻的好处是什么啊？

1.     可以确保B极是两态（三态：高、低、高阻态）。       实际上，我们害怕的就是高阻态嘛，由于当你前面不接的时候，又断开了，才有高阻态。在电路设计中，我们从逻辑角度来讲，不是高就是低，这样子才是最好的，有利于电路的逻辑。

同样的，MOSFET加了一个下拉电阻。

作用：确保给GS电容提供放电回路——确保关断，低态。

这样MOSFET就只有两态，不是高就是低。

另外，下拉电阻，也可以防止雷击，静电。

实际上，对于晶体管来说，如果没有一个完整的额回路，是不导通的；但是MOSFET不一样，它不需要一个完整的回路，也能够让它导通。

接下来我们研究一下MOSFET的开通问题：

由于有这个GS电容的存在，MOSFET的开通，肯定就会有一个延时。

那么，我们这个MOSFET的模型怎么去建立呢？

我们前面讲过了，MOSFET在导通的时候，DS之间还有一个Rdson，导通阻抗。

问题补充：

我们说，晶体管这个地方的下拉电阻是2K，是经过大量的实验电路和验证的。

对于低功耗的电路来说，这个电阻可以取高一点，但是不要取的太低。取的太低的话，就有可能导致晶体管不能正常的工作。为什么这么说呢？我们可以举个例子：

因为be钳位电压，导通之后是0.7V，前提是导通之后，这一点很重要哦。

电阻分压后，M电的电位要大于0.7V才行，所以，下拉电阻不能太小。

我们假设下拉电阻取100Ω：

那么，M点分压后小于0.7V，三极管是不会导通的。所以，下拉电阻不能太小，当然也不能太大，否则，对于高频开关信号来说，会影响它的关断时间。大家在以后的电路设计中，如果是频率相对较高的开关信号，一般都取2K，就不用再考虑其他的了。

我们再来看MOSFET的下拉电阻，取多少呢？我们知道三极管的阈值电压是0.7V，而MOSFET的阈值电压远远大于0.7V，其实这里的阻值选取跟这里阈值电压有关，如果这里取小了，那么分压之后，一直在它的平台电压，那这个MOSFET肯定也是不行的。所以，MOSFET一般地下拉电阻取值可以取大一点，这样MOSFET开通就不会产生影响，而MOSFET的放电更多的是靠前面进行放电，也没事的对吧。当然，这个电阻也不能太大，否则静电雷击也会对MOSFET造成损坏。

MOSFET下拉电阻选取原则：

1.     太小，则功耗大，也不利于管子的导通；

2.     太大，则不利于静电、雷击等，这是因为内阻大。

3.     GS下拉电阻范围10K~100K，原则上讲，高压系统可以取大一些，低压系统可以取小一些。正常情况下，建议大家取18K  20K。（后面谈到米勒效应的时候，需要研究这个电阻）

我们再来看上面这幅图中的电容，这是我们等效出来的MOSFET模型里面的Cgs电容。实际上，在G和D之间也有一个电容，这个电容我们叫它米勒电容，Cgd，它还有另一个名字Crss。同样的，在D和S之间也有一个电容，Cds。

Ciss  输入电容：Ciss = Cgd + Cgs

Coss 输出电容：Coss = Cgd + Cds

Crss  米勒电容：Crss = Cgd

上面这幅图是MOSFET的等效模型，这几个电容都不是我们想要的，但都是客观存在的。

接下来我们要研究一下Ciss。一般我们在测试Ciss时，是需要把DS端直接短路掉的，然后在控制极G端输入一个交流信号，这样的话，就有2个回路了，一个是经过Cgd，一个是经过Cgs。

既然有2个回路，那么我们就认为Cgd和Cgs是并联的关系，电容并联容值是不是相加啊，所以Ciss = Cgd+Cgs，这样就把Ciss测量出来了。

如果我们来测输出电容呢？是不是把GS进行短路啊？

同样的道理，一般我们在测试Coss时，是需要把GS端直接短路掉的，然后在控制极D端输入一个交流信号。是不是相当于Cgd 和 Cds并联啊，那么这就是输出电容Coss = Cgd + Cds。

最后，测量米勒电容时，需要把S端接地，测漏极到栅极的特性。那么，米勒电容是随着漏极电压的升高而降低的，最后变成0了。