智能车MOSFET电机驱动 BJT和MOS管的开关特性 及相关细节详解

x舞z

    <前段时间，以为同学给我说，他用单片机做了一个简单的LED台灯，用PWM的方式控灯的亮度，但是发现BJT总是很烫。他的电路图如图1所示。我问他：3V时LED的发光电流多大，他说十几道二十毫安左右。我问他电阻多大。他说10K。于是我笑笑的说：“你把电阻改小一点就好了”。于是他回去一试，用了1k的电阻，就没有问题了。>
但是为什么要这么做?

一、BJT和MOSFET的开关特性讨论       在电子设计与制作中，双极性晶体管（BJT）和MOSFET 是用的最多的有源器件。 考虑到多数的情况(分立元件)下。这两种器件在现代电子电路中用作开关器件，而恰好相反的是，我们大多数的教科书却着重于介绍这两种器件的放大性能。所以在这我主要讨论一下这两种器件的开关特性和应用。
大多数人的应该有这么一个概念：BJT为电流控制器件，MOSFET为电压控制器件。至于为什么这么说。通过以下的介绍，你可能会有很清晰的认识。首先我们讨论MOS管的开关的相关理论和基本应用。

关于MOSFET的讨论
       下面讨论MOSFET.很多初学者对于这种器件是相当陌生的。先为大家介绍我遇到的一个案例。曾经有个同学刚刚接触机器人。他试图用MOSFET驱动机器人上的电机。当时他给我是这样的描述。不管单片机输入的是PWM波还是高电平信号，电机转速都很慢，并且MOSFET很烫，最终烧坏。当我们看到图5时，我立刻明白，出现上述问题是因为他对功率MOSFET基本上没有概念，在他看来，似乎和BJT的使用方法一样。
       为了了解MOSFET，我们很有必要先掌握一些理论知识。这里讨论增强型的MOSFET。并以N沟道器件为例。对于分立增强型的MOSFET，衬底一般和源极接到到一起，且栅极和衬底为氧化层，实际上是一层绝缘体。所以，栅极之间的电阻非常大，静态时，几乎所有电流流入栅极。这一点应该是大多数人都知道的。
       如图6所示，给MOSFET的漏源之间加上正偏电压，当栅源电压Ui 增强到一定值（即阈值电压Vth）时，开始有电流Id流入漏极。随着Ui的继续增加，Id增大，RL 上承受的电压也随之增大。当UI 足够大时，RL上承受几乎所有的电源电压。Id 也达到一定的值而不再增加。此时MOSFET进入线性区，漏源之间有一个较小的压降。但需要注意的是，这个压价和BJT饱和压降不同，这个压降不是一个固定值，而是漏源之间的电流Id呈正相关（几乎是线性）关系。这个电压可以这样计算：VDD（on） = Id * Ron。 其中，Ron 为导通电阻，使我们在MOSFET的数据手册中常见的一个参数。它表征着MOSFET的套筒损耗。
      从上面的分析可以得知。MOSFET作为开关时，我们只要在栅源之间加一个足够大的电压，MOSFET就能充分导通。此时，MOSFET上的压降为漏源电流与导通电阻之间的乘积。不同功率的MOSFET，要求的栅源电压不同。对于常见的TO220，TO252封装的MOSFET，通常取值是10-15V，对于SOP8，和SOT23等封装的低压MOSFET，这个值可以取得低一点。一般的数据手册会给出导通电阻随栅源电压的变化曲线。
     我们可以从数据手册中不难看书，在VGS较小时，Ron并不是一个常数，而是随着Id 的增加而增大。原因就在于我们前边提到的，讨论导通电阻Ron时，应当使得MOSFET充分导通。漏源电流越大，使得MOSFET充分导通将会变得越困难。因为要求的栅源电压越高。所以，当栅源电压不是足够大时，MOSFET并没有充分导通，MOSFET并没有进入线性区，所以导通电阻也就会同时依赖于漏源电压。
     那大家又会问，如图5所示的电路，把MOSFET改为低阈值的器件是不是就没有问题了呢？ 这也不一定，因为至此，我们还没有涉及MOSFET驱动电压应该怎么加的问题。
     前面我们说的栅源之间的电阻大道几乎是绝缘体的电阻。那么栅源电阻Rg的取值很大或者很小应该都没有问题。而事实上，当对开关速度没有要求是，确实是这样的。对于一般的MOSFET，Rg的取值从几欧姆到上兆欧姆都是可以正常开启的。。图5案例如果不需要PWM调速或者PWM频率很低时，把IRF540换成低阈值的MOSFET的话，或许正常工作时没有问题的。
     但是我们应该都清楚。MOSFET的栅极和漏极之间都是介质层。因此栅源和栅漏之间必然存在一个寄生电容Cgs和Cgd,沟道未形成时，漏源之间也有一个寄生电容Cds，所有考虑到寄生电容时，MOSFET的等效电路就成了图9 的样子了。但是我们从MOSFET的数据手册中一看看不到这3个参数，手册给出的参数一般是Ciss  Coss 和Crss 他们与Cgs和Cgd,Cds的关系如下：Ciss = Cgs + Cgd(Cds短路时).
Coss = Cds + Cgd
Crss =  Cgd

       下面看一下这些寄生电容参数是如何影响开关速度的。  如图10 所示，当驱动信号Ui 到来的一瞬间，由于MOSFET处于关断状态。此时Cgs 和Cgd  上的电压分别为Ugs = 0, Ugd = -Vdd , Cgs 和 Cgd  上的电荷量分别为 VTgs = 0 ， Vgd = Ugd*Cgd= Vdd * Cgd . 接下来。 Ui 通过 Rg  对 Cgs 充电。 Ugs  逐渐升高（这个过程中，随着Ugs 升高，也会伴随着Cgd 的放电，但是由于Vdd 远大于Ugs ， Cgd 不会导致栅电流的明显增加）
       当Ugs 达到阈值电压时，开始有电流通过MOSFET（事实上，当Ugs 还没有达到 阈值电压的时候，已经有微小电流通过MOSFET了），MOSFET上承受的压降由原来的Vdd 开始减小，Cgd 上的电压也会随之减小。那么也就伴随着Cgd 的放电。由于Cgd 的电荷量VTgd  = Vdd * Cgd 较大，所以放电的时间较长。在放电时间期间，栅极电流基本上用于Cgd 的放电。，因此栅源电压的增加变得缓慢。
     充电完成后，Ui通过Rg 继续对Cgs和Cgd 充电（因为此时MOSFET已经充分导通，相当于Cgs 和Cgd并联），直到栅源电压达到Ui,开启过程至此完成。

      同时，不难发现，当Rg越大，寄生电容的充电时间越长。显然，Rg 太大时，MOSFET不能在短时间内充分导通。在高速开关应用中，这个阻值一般去几欧姆 至 几十 欧姆（像 D类功放，开关电源），即使在低速状态下，Rg 也不宜取得太大。因为过大的Rg,会延长电容的充电时间，也就是MOSFET 从关断到充分导通的过度时间。这段时间内，MOSFET处于饱和状态（放大区），管子将同时承受较大的电压和电流，从而引起较大的功耗。但是Rg 如果取得太小或者直接短路的话，在驱动电压到来得一瞬间，由于寄生电容上的电压为0，前级需要流过一个很大的电流，造成对前级驱动电路的冲击。



补充内容 (2012-12-7 19:21):
部分内容在后面。由于分次输入。所以不在一个，界面，给大家带来不便，还请谅解。

x舞z

未完待续。。。

幽墨

mos管作为开关看样子还很有学问啊，受教了！

xckhmf

学习了。

幽墨

可以升精哈。非常不错

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ganlei

非常不错哈·支持

ganlei

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quzhanguang

你知道的太多了