收藏！教科書上沒講清楚的MOS管開關(guān)重點(diǎn)，今天全交代

原文授權(quán)自公眾號：硬件筆記本

今天咱們來聊聊產(chǎn)品設(shè)計(jì)中最常見卻又最關(guān)鍵的元器件—— MOS管。可以說，幾乎所有的電子設(shè)備都離不開這個(gè)它。雖然它看起來原理簡單，但實(shí)際工作起來卻暗藏玄機(jī)。特別是它的開關(guān)過程，平時(shí)用著沒事，一旦出問題往往很多時(shí)候讓人摸不著頭腦。下面咱們就用最通俗的語言，帶大家一起了解MOS管開關(guān)的過程。

在講之前，大家一定要知道MOS管的三個(gè)寄生電容：Cgs，Cgd，Cds，這對于后面的分析有很大的幫助。

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MOS管的開通過程

說一個(gè)不恰當(dāng)?shù)谋扔鳎琈OS管的開通就像我們早上起床的過程，可不是"叮"的一下就完成的，而是分四個(gè)步驟循序漸進(jìn)：

MOS管開啟的第一個(gè)階段可以這樣理解：

柵極電壓從零開始慢慢上升，就像給一個(gè)容器注水，大部分電流都用來給C_GS這個(gè)"主容器"充電，同時(shí)也有少量電流流到C_GD這個(gè)"副容器"，隨著柵極電壓升高，C_GD兩端的電壓會(huì)稍微降低一些，這個(gè)階段MOS管還沒開始導(dǎo)通，所以漏極的電流和電壓都保持不變，只有當(dāng)柵極電壓充到V_TH這個(gè)臨界值時(shí)，MOS管才具備導(dǎo)通的條件。

這個(gè)準(zhǔn)備階段之所以叫"開通延時(shí)"，就是因?yàn)殡m然柵極在充電，但MOS管還沒真正開始工作，存在一個(gè)時(shí)間延遲。

MOS管開啟的第二階段工作原理如下：

柵極電壓繼續(xù)升高，直到達(dá)到米勒平臺(tái)電壓值（V_GS,Miller），此時(shí)漏極電流開始隨柵極電壓線性增加，這個(gè)階段MOS管工作在放大區(qū)，電流大小直接取決于柵極電壓。柵極電流繼續(xù)為C_GS和C_GD兩個(gè)電容充電，在輸出端可以看到：

漏極電流明顯增大，但漏源電壓仍保持關(guān)斷時(shí)的水平（V_DS,off）。

這個(gè)階段是MOS管從截止?fàn)顟B(tài)向完全導(dǎo)通過渡的關(guān)鍵過程。

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MOS管開啟的第三階段工作原理如下：

當(dāng)柵極電壓達(dá)到V_GS，Miller時(shí)，MOS管已能承載全部負(fù)載電流，并聯(lián)的二極管完全關(guān)斷，此時(shí)開始出現(xiàn)兩個(gè)重要現(xiàn)象：漏極電壓開始快速下降，柵源電壓卻保持穩(wěn)定（形成米勒平臺(tái)），產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：所有柵極驅(qū)動(dòng)電流都轉(zhuǎn)向給C_GD電容充電，這個(gè)充電過程促使漏極電壓快速變化，柵極電壓因此被"釘住"在米勒平臺(tái)電壓。

在這個(gè)階段，漏極電流由外部電路決定，保持恒定，漏源電壓持續(xù)下降，柵極電壓維持不變，這個(gè)階段展現(xiàn)了MOS管特有的米勒效應(yīng)，是開關(guān)過程中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

MOS管開啟的第四階段工作原理如下：

這是開通過程的最后階段。柵極電壓從米勒平臺(tái)電壓(V_GS,Miller)繼續(xù)升高，最終達(dá)到驅(qū)動(dòng)電壓(V_DRV)的滿幅值。

這個(gè)階段的關(guān)鍵變化：柵極電流同時(shí)給C_GS和C_GD兩個(gè)電容充電，導(dǎo)通溝道被充分增強(qiáng)，導(dǎo)通電阻(R_DS(on))降到最低值。

電路表現(xiàn)特點(diǎn)：漏極電流保持穩(wěn)定（由外部電路決定），漏源電壓因?qū)娮杞档投》陆担瑬艠O電壓達(dá)到最大驅(qū)動(dòng)電平，最終柵極電壓值直接影響導(dǎo)通電阻大小，電壓越高，導(dǎo)通電阻越小，但需要考慮器件耐壓和功耗限制。

這個(gè)階段使MOS管進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通性能達(dá)到最佳。

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MOS管的關(guān)斷過程

MOS管的關(guān)斷過程說明基本上與上文所述的開通過程相反。也是分四個(gè)步驟來完成關(guān)斷過程：

階段1（關(guān)斷延遲階段）：

這個(gè)階段主要是給MOS管內(nèi)部的Ciss電容放電，直到電壓降到米勒平臺(tái)電平。在這個(gè)過程中，放電電流會(huì)流過柵源電容(Cgs)和柵漏電容(Cgd)。此時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)現(xiàn)象：

1、由于過驅(qū)動(dòng)電壓在減小，漏極電壓會(huì)稍微上升一點(diǎn)；

2、漏極電流保持穩(wěn)定不變。

階段2（電壓上升階段）：

此時(shí)，MOS管的漏極-源極電壓，從 ID?RDS(on) 上升到最終的關(guān)斷電壓（

VDS,off），這個(gè)電壓會(huì)被寄生二極管鉗位在輸出電壓。

在這個(gè)階段，柵極電壓會(huì)保持穩(wěn)定（即米勒平臺(tái)階段），柵極電流全部是 CGD 的充電電流，因?yàn)闁旁措妷翰蛔儭?/p>

階段3（電流下降階段）：

此時(shí)，寄生二極管已經(jīng)導(dǎo)通，為負(fù)載電流提供了另一條通路。柵極電壓從米勒平臺(tái)

VGS,Miller繼續(xù)下降到閾值電壓VTH。

這個(gè)階段的主要特點(diǎn)是：

1、柵極電流主要來自 CGS （柵源電容）放電，因?yàn)镃GD（柵漏電容）在上個(gè)階段已經(jīng)充滿電了。

2、隨著柵源電壓下降，MOS管進(jìn)入線性工作區(qū)，漏極電流逐漸減小到接近零。

3、由于寄生二極管已經(jīng)正向?qū)ǎO電壓會(huì)穩(wěn)定在最終的關(guān)斷電壓（VDS,off）不再變化。

階段4（完全關(guān)斷階段）：

這是MOS關(guān)斷的最后一步。柵極電壓 VGS 從閾值電壓VTH繼續(xù)降到0V，把輸入電容的電徹底放完。和前一階段類似，柵極電流主要還是靠CGS（柵源電容）放電提供。關(guān)注公眾號：硬件筆記本

此時(shí)MOS管已經(jīng)完全關(guān)斷，漏極電流保持為零（因?yàn)橐呀?jīng)徹底關(guān)斷），漏極電壓維持在關(guān)斷狀態(tài)的值不變。

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總結(jié)

總結(jié)來說，MOS管通過四個(gè)階段在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間切換。各階段的持續(xù)時(shí)間取決于三個(gè)關(guān)鍵因素：寄生電容大小、電容電壓變化量以及柵極驅(qū)動(dòng)電流的強(qiáng)弱。這凸顯了在高頻開關(guān)應(yīng)用中，合理選型和優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的重要性。

需要注意的是，廠商提供的測試數(shù)據(jù)基于特定條件和電阻負(fù)載，與實(shí)際電感負(fù)載應(yīng)用中的開關(guān)性能存在明顯差異，因此不同型號器件的數(shù)據(jù)較難直接比較。

總之，理解了以上MOS管的開關(guān)過程，對于我們整個(gè)產(chǎn)品的分析過程是很有幫助的。

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