MOS管的导通过程
1,MOS管特征曲线
在具体分析MOS管导通过程之前,我们首先需要了解下MOS管的特征曲线。
如下图所示以“N沟道增强型MOS管”为例的V-I特征曲线,横轴为VDS电压,纵轴为ID电流。
我们可以将整个曲线图分为4部分:截止区,可变电阻区,恒流区,击穿区。
1. 截止区(夹断区):
当满足VGS < VGS(th) ,MOS管进入截止区;截止区位于特征曲线下方,表示MOS管不能导通处于截止状态。
2. 恒流区(饱和区):
当VGS > VGS(th),且VDS > VGS-VGS(th)时,MOS进入恒流区。
恒流区在输出特性曲线中间的位置,电流ID基本不随VDS变化, ID的大小主要决定于电压VGS。当MOS用来做放大电路(例如:运放)时就是工作在恒流区。
3. 可变电阻区:
当满足VGS> VGS(th), 且VDS > VGS-VGS(th)时,MOS管进入可变电阻区。
在可变电阻区,ID随着VDS的增加而上升,两者基本上是线性关系,另外VGS不同RDS的阻值也会不同,我们一般看到的MOS管Datasheet中RDS(ON)参数是可变电阻区的导通电阻值。
2,MOS管导通过程
我们通过之前章节的介绍,知道了想要打通MOS管,是需要VGS达到一定的电压(Vgsth)的。
如左下图所示,以增强型NMOS为例,驱动芯片通过串阻RG来驱动MOS管G极电压来对MOS管进行打通。
如下为MOS管理想的导通过程分析:
1. t0->t1阶段:驱动通过RGATA对Ciss充电,电压VGS以指数的形式从0V上升至Vth。
1, 本阶段由于VGS<VGS(th),此时MOS管DS未打通,所以ID=0。
2, 此时VGS增加,VGD会减小。
3, 第一阶段驱动对Ciss充电,主要是对CGS充电。
若D与G完全没有回流通路,则不会对CGD放电,D极电压被抬升;事实上如果对于缓启动电路,D极有大电容接至GND,那相当于有一条间接的回流通路从G->D->S。
2. t1->t2:VGS达到MOS管开启电压,进入线性区,ID缓慢上升,至t2时刻ID到达饱和或是负载最大电流。
1, 本阶段VGS>VGS(th),此时MOS管DS已经打通,ID>0,且随VGS增加ID不断增大。
2, 此时由于D与S之间已导通,G与D之间的回流通路通过ID建立了起来,形成CGD的放电回路,对CGD进行放电;同时,继续对CGS充电。
3, 如下右图所示,t1->t2红色箭头的高度,取决于负载对ID电流大小的需求,并非是一个固定值。
假如ID在VGS=5V即可满足负载对电流的需求,那么t1->t2阶段就将在VGS=5V结束。
4, 如下右图所示,在此阶段VDS一直承受近乎全部电压VDD,所以损耗较大。
3. t2->t3(米勒平台):t2时刻 ID达到饱和并维持稳定值,MOS管工作在饱和区。
1, 本阶段从ID电流角度来看,VGS电压已将MOS管完全打通,ID保持不变,VGS保持不变, 同时VDS电压开始下降。
2, 此阶段VGD先减小(VD>VG阶段)后反向增大(VG>VD阶段),对于CGD来说先放电后充电,对于CGS则不再消耗电荷(具体原理,下章“米勒平台”详细分析)。
3, 米勒平台阶段ID电流很大,在平台期间MOS管损耗较大,同时它延长了MOS管的开关时间,对于快速开关的应用,要尽量减少米勒平台时间。
4. t3->t4:VDS电压下降到0V,VDD继续给CGS充电,直至VGS = VDD,MOS管完成导通过程。
1, 本阶段MOS管进入可变电阻区,随着VGS不断增加,RDS不断减小,ID值取决于负载的变化。
2, 此阶段VGS增加,VDS基本保持不变,VGD也随VGS同时增加,此时已结束米勒平台,所以CGD远小于CGS,VGS电压得以正常速度增大。
5. MOS管关断过程:是开通过程的反过程,如下图所示。
关断过程与开启过程的步骤刚好相反,所以MOS管关断过程也同样存在较大的损耗。