从基础开始描述MOS管

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MOS 管学名是场效应管,是金属 - 氧化物 - 半导体型场效应管,属于绝缘栅型。本文就结构构造、特点、实用电路等几个方面用工程师的话简单描述。

其结构示意图:

 


解释 1:沟道

上面图中,下边的 p 型中间一个窄长条就是沟道,使得左右两块 P 型极连在一起,因此 mos 管导通后是电阻特性,因此它的一个重要参数就是导通电阻,选用 mos 管必须清楚这个参数是否符合需求。

 

解释 2:n 型

上图表示的是 p 型 mos 管,读者可以依据此图理解 n 型的,都是反过来即可。因此,不难理解,n 型的如图在栅极加正压会导致导通,而 p 型的相反。

 

解释 3:增强型

相对于耗尽型,增强型是通过“加厚”导电沟道的厚度来导通,如图。栅极电压越低,则 p 型源、漏极的正离子就越靠近中间,n 衬底的负离子就越远离栅极,栅极电压达到一个值,叫阀值或坎压时,由 p 型游离出来的正离子连在一起,形成通道,就是图示效果。因此,容易理解,栅极电压必须低到一定程度才能导通,电压越低,通道越厚,导通电阻越小。由于电场的强度与距离平方成正比,因此,电场强到一定程度之后,电压下降引起的沟道加厚就不明显了,也是因为 n 型负离子的“退让”是越来越难的。耗尽型的是事先做出一个导通层,用栅极来加厚或者减薄来控制源漏的导通。但这种管子一般不生产,在市面基本见不到。所以,大家平时说 mos 管,就默认是增强型的。

 

解释 4:左右对称

图示左右是对称的,难免会有人问怎么区分源极和漏极呢?其实原理上,源极和漏极确实是对称的,是不区分的。但在实际应用中,厂家一般在源极和漏极之间连接一个二极管,起保护作用,正是这个二极管决定了源极和漏极,这样,封装也就固定了,便于实用。我的老师年轻时用过不带二极管的 mos 管。非常容易被静电击穿,平时要放在铁质罐子里,它的源极和漏极就是随便接。

 

解释 5:金属氧化物膜

图中有指示,这个膜是绝缘的,用来电气隔离,使得栅极只能形成电场,不能通过直流电,因此是用电压控制的。在直流电气上,栅极和源漏极是断路。不难理解,这个膜越薄:电场作用越好、坎压越小、相同栅极电压时导通能力越强。坏处是:越容易击穿、工艺制作难度越大而价格越贵。例如导通电阻在欧姆级的,1 角人民币左右买一个,而 2402 等在十毫欧级的,要 2 元多(批量买。零售是 4 元左右)。

 

解释 6:与实物的区别

上图仅仅是原理性的,实际的元件增加了源 - 漏之间跨接的保护二极管,从而区分了源极和漏极。实际的元件,p 型的,衬底是接正电源的,使得栅极预先成为相对负电压,因此 p 型的管子,栅极不用加负电压了,接地就能保证导通。相当于预先形成了不能导通的沟道,严格讲应该是耗尽型了。好处是明显的,应用时抛开了负电压。

 

解释 7:寄生电容

上图的栅极通过金属氧化物与衬底形成一个电容,越是高品质的 mos,膜越薄,寄生电容越大,经常 mos 管的寄生电容达到 nF 级。这个参数是 mos 管选择时至关重要的参数之一,必须考虑清楚。Mos 管用于控制大电流通断,经常被要求数十 K 乃至数 M 的开关频率,在这种用途中,栅极信号具有交流特征,频率越高,交流成分越大,寄生电容就能通过交流电流的形式通过电流,形成栅极电流。消耗的电能、产生的热量不可忽视,甚至成为主要问题。为了追求高速,需要强大的栅极驱动,也是这个道理。试想,弱驱动信号瞬间变为高电平,但是为了“灌满”寄生电容需要时间,就会产生上升沿变缓,对开关频率形成重大威胁直至不能工作。

 

解释 8:如何工作在放大区

Mos 管也能工作在放大区,而且很常见。做镜像电流源、运放、反馈控制等,都是利用 mos 管工作在放大区,由于 mos 管的特性,当沟道处于似通非通时,栅极电压直接影响沟道的导电能力,呈现一定的线性关系。由于栅极与源漏隔离,因此其输入阻抗可视为无穷大,当然,随频率增加阻抗就越来越小,一定频率时,就变得不可忽视。这个高阻抗特点被广泛用于运放,运放分析的虚连、虚断两个重要原则就是基于这个特点。这是三极管不可比拟的。

 

解释 9:发热原因

Mos 管发热,主要原因之一是寄生电容在频繁开启关闭时,显现交流特性而具有阻抗,形成电流。有电流就有发热,并非电场型的就没有电流。另一个原因是当栅极电压爬升缓慢时,导通状态要“路过”一个由关闭到导通的临界点,这时,导通电阻很大,发热比较厉害。第三个原因是导通后,沟道有电阻,过主电流,形成发热。主要考虑的发热是第 1 和第 3 点。许多 mos 管具有结温过高保护,所谓结温就是金属氧化膜下面的沟道区域温度,一般是 150 摄氏度。超过此温度,mos 管不可能导通。温度下降就恢复。要注意这种保护状态的后果。

 

但愿上述描述能通俗的理解 mos 管,下面说说几个约定俗成电路:

1:pmos 应用

一般用于管理电源的通断,属于无触点开关,栅极低电平就完全导通,高电平就完全截止。而且,栅极可以加高过电源的电压,意味着可以用 5v 信号管理 3v 电源的开关,这个原理也用于电平转换。

 

2:nmos 管应用

一般用于管理某电路是否接地,属于无触点开关,栅极高电平就导通导致接地,低电平截止。当然栅极也可以用负电压截止,但这个好处没什么意义。其高电平可以高过被控制部分的电源,因为栅极是隔离的。因此可以用 5v 信号控制 3v 系统的某处是否接地,这个原理也用于电平转换。

 

3:放大区应用

工作于放大区,一般用来设计反馈电路,需要的专业知识比较多,类似运放,这里无法细说。常用做镜像电流源、电流反馈、电压反馈等。至于运放的集成应用,我们其实不用关注。人家都做好了,看好 datasheet 就可以了,不用按 mos 管方式去考虑导通电阻和寄生电容。

 

MOS 管的基本知识   

现在的高清、液晶、等离子电视机中开关电源部分除了采用了 PFC 技术外,在元器件上的开关管均采用性能优异的 MOS 管取代过去的大功率晶体三极管,使整机的效率、可靠性、故障率均大幅的下降。由于 MOS 管和大功率晶体三极管在结构、特性有着本质上的区别,在应用上;驱动电路也比晶体三极管复杂,致使维修人员对电路、故障的分析倍感困难,此文即针对这一问题,把 MOS 管及其应用电路作简单介绍,以满足维修人员需求。

 

一、什么是 MOS 管
MOS 管的英文全称叫 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),即金属氧化物半导体型场效应管,属于场效应管中的绝缘栅型。因此,MOS 管有时被称为绝缘栅场效应管。在一般电子电路中,MOS 管通常被用于放大电路或开关电路。

 

1、MOS 管的构造;
在一块掺杂浓度较低的 P 型半导体硅衬底上,用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的 N+区,并用金属铝引出两个电极,分别作为漏极 D 和源极 S。然后在漏极和源极之间的 P 型半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(Si02)绝缘层膜,在再这个绝缘层膜上装上一个铝电极,作为栅极 G。这就构成了一个 N 沟道(NPN 型)增强型 MOS 管。显然它的栅极和其它电极间是绝缘的。图 1-1 所示 A 、B 分别是它的结构图和代表符号。

 

同样用上述相同的方法在一块掺杂浓度较低的 N 型半导体硅衬底上,用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的 P+区,及上述相同的栅极制作过程,就制成为一个 P 沟道(PNP 型)增强型 MOS 管。图 1-2 所示 A 、B 分别是 P 沟道 MOS 管道结构图和代表符号。

 

图 1 -1-A            图 1 -1-B

 

图 1-2-A              图 1-2-B

 

2、MOS 管的工作原理:图 1-3 是 N 沟道 MOS 管工作原理图;

 

图 1-3-A                            

 

图 1-3-B

 

从图 1-3-A 可以看出,增强型 MOS 管的漏极 D 和源极 S 之间有两个背靠背的 PN 结。当栅 - 源电压 VGS=0 时,即使加上漏 - 源电压 VDS,总有一个 PN 结处于反偏状态,漏 - 源极间没有导电沟道(没有电流流过),所以这时漏极电流 ID=0。


此时若在栅 - 源极间加上正向电压,图 1-3-B 所示,即 VGS>0,则栅极和硅衬底之间的 SiO2 绝缘层中便产生一个栅极指向 P 型硅衬底的电场,由于氧化物层是绝缘的,栅极所加电压 VGS 无法形成电流,氧化物层的两边就形成了一个电容,VGS 等效是对这个电容充电,并形成一个电场,随着 VGS 逐渐升高,受栅极正电压的吸引,在这个电容的另一边就聚集大量的电子并形成了一个从漏极到源极的 N 型导电沟道,当 VGS 大于管子的开启电压 VT(一般约为 2V)时,N 沟道管开始导通,形成漏极电流 ID,我们把开始形成沟道时的栅 - 源极电压称为开启电压,一般用 VT 表示。控制栅极电压 VGS 的大小改变了电场的强弱,就可以达到控制漏极电流 ID 的大小的目的,这也是 MOS 管用电场来控制电流的一个重要特点,所以也称之为场效应管。

 

3、MOS 管的特性;
上述 MOS 管的工作原理中可以看出,MOS 管的栅极 G 和源极 S 之间是绝缘的,由于 Sio2 绝缘层的存在,在栅极 G 和源极 S 之间等效是一个电容存在,电压 VGS 产生电场从而导致源极 - 漏极电流的产生。此时的栅极电压 VGS 决定了漏极电流的大小,控制栅极电压 VGS 的大小就可以控制漏极电流 ID 的大小。这就可以得出如下结论:


1) MOS 管是一个由改变电压来控制电流的器件,所以是电压器件。


2) MOS 管道输入特性为容性特性,所以输入阻抗极高。

 

4、MOS 管的电压极性和符号规则;
图 1-4-A 是 N 沟道 MOS 管的符号,图中 D 是漏极,S 是源极,G 是栅极,中间的箭头表示衬底,如果箭头向里表示是 N 沟道的 MOS 管,箭头向外表示是 P 沟道的 MOS 管。


在实际 MOS 管生产的过程中衬底在出厂前就和源极连接,所以在符号的规则中;表示衬底的箭头也必须和源极相连接,以区别漏极和源极。图 1-5-A 是 P 沟道 MOS 管的符号。


MOS 管应用电压的极性和我们普通的晶体三极管相同,N 沟道的类似 NPN 晶体三极管,漏极 D 接正极,源极 S 接负极,栅极 G 正电压时导电沟道建立,N 沟道 MOS 管开始工作,如图 1-4-B 所示。同样 P 道的类似 PNP 晶体三极管,漏极 D 接负极,源极 S 接正极,栅极 G 负电压时,导电沟道建立,P 沟道 MOS 管开始工作,如图 1-5-B 所示。

 

图 1-4-A N 沟道 MOS 管符号      

     

图 1-4-B N 沟道 MOS 管电压极性及衬底连接

 

图 1-5-A P 沟道 MOS 管符号  

 

图 1-5-B P 沟道 MOS 管电压极性及衬底连接

 

5、MOS 管和晶体三极管相比的重要特性;


1).场效应管的源极 S、栅极 G、漏极 D 分别对应于三极管的发射极 e、基极 b、集电极 c,它们的作用相似,图 1-6-A 所示是 N 沟道 MOS 管和 NPN 型晶体三极管引脚,图 1-6-B 所示是 P 沟道 MOS 管和 PNP 型晶体三极管引脚对应图。

 

图 1-6-A 图 1-6-B


2).场效应管是电压控制电流器件,由 VGS 控制 ID,普通的晶体三极管是电流控制电流器件,由 IB 控制 IC。MOS 管道放大系数是(跨导 gm)当栅极电压改变一伏时能引起漏极电流变化多少安培。晶体三极管是电流放大系数(贝塔β)当基极电流改变一毫安时能引起集电极电流变化多少。

 

3).场效应管栅极和其它电极是绝缘的,不产生电流;而三极管工作时基极电流 IB 决定集电极电流 IC。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高的多。

 

4).场效应管只有多数载流子参与导电;三极管有多数载流子和少数载流子两种载流子参与导电,因少数载流子浓度受温度、辐射等因素影响较大,所以场效应管比三极管的温度稳定性好。

 

5).场效应管在源极未与衬底连在一起时,源极和漏极可以互换使用,且特性变化不大,而三极管的集电极与发射极互换使用时,其特性差异很大,b 值将减小很多。

 

6).场效应管的噪声系数很小,在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。

 

7).场效应管和普通晶体三极管均可组成各种放大电路和开关电路,但是场效应管制造工艺简单,并且又具有普通晶体三极管不能比拟的优秀特性,在各种电路及应用中正逐步的取代普通晶体三极管,目前的大规模和超大规模集成电路中,已经广泛的采用场效应管。

 

6、在开关电源电路中;大功率 MOS 管和大功率晶体三极管相比 MOS 管的优点;


1)、输入阻抗高,驱动功率小:由于栅源之间是二氧化硅(SiO2)绝缘层,栅源之间的直流电阻基本上就是 SiO2 绝缘电阻,一般达 100MΩ左右,交流输入阻抗基本上就是输入电容的容抗。由于输入阻抗高,对激励信号不会产生压降,有电压就可以驱动,所以驱动功率极小(灵敏度高)。一般的晶体三极管必需有基极电压 Vb,再产生基极电流 Ib,才能驱动集电极电流的产生。晶体三极管的驱动是需要功率的(Vb×Ib)。

 

2)、开关速度快:MOSFET 的开关速度和输入的容性特性的有很大关系,由于输入容性特性的存在,使开关的速度变慢,但是在作为开关运用时,可降低驱动电路内阻,加快开关速度(输入采用了后述的“灌流电路”驱动,加快了容性的充放电的时间)。MOSFET 只靠多子导电,不存在少子储存效应,因而关断过程非常迅速,开关时间在 10—100ns 之间,工作频率可达 100kHz 以上,普通的晶体三极管由于少数载流子的存储效应,使开关总有滞后现象,影响开关速度的提高(目前采用 MOS 管的开关电源其工作频率可以轻易的做到 100K/S~150K/S,这对于普通的大功率晶体三极管来说是难以想象的)。

 

3)、无二次击穿;由于普通的功率晶体三极管具有当温度上升就会导致集电极电流上升(正的温度~电流特性)的现象,而集电极电流的上升又会导致温度进一步的上升,温度进一步的上升,更进一步的导致集电极电流的上升这一恶性循环。而晶体三极管的耐压 VCEO 随管温度升高是逐步下降,这就形成了管温继续上升、耐压继续下降最终导致晶体三极管的击穿,这是一种导致电视机开关电源管和行输出管损坏率占 95%的破环性的热电击穿现象,也称为二次击穿现象。MOS 管具有和普通晶体三极管相反的温度~电流特性,即当管温度(或环境温度)上升时,沟道电流 IDS 反而下降。例如;一只 IDS=10A 的 MOS FET 开关管,当 VGS 控制电压不变时,在 250C 温度下 IDS=3A,当芯片温度升高为 1000C 时,IDS 降低到 2A,这种因温度上升而导致沟道电流 IDS 下降的负温度电流特性,使之不会产生恶性循环而热击穿。也就是 MOS 管没有二次击穿现象,可见采用 MOS 管作为开关管,其开关管的损坏率大幅度的降低,近两年电视机开关电源采用 MOS 管代替过去的普通晶体三极管后,开关管损坏率大大降低也是一个极好的证明。

 

4)、MOS 管导通后其导通特性呈纯阻性;普通晶体三极管在饱和导通是,几乎是直通,有一个极低的压降,称为饱和压降,既然有一个压降,那么也就是;普通晶体三极管在饱和导通后等效是一个阻值极小的电阻,但是这个等效的电阻是一个非线性的电阻(电阻上的电压和流过的电流不能符合欧姆定律),而 MOS 管作为开关管应用,在饱和导通后也存在一个阻值极小的电阻,但是这个电阻等效一个线性电阻,其电阻的阻值和两端的电压降和流过的电流符合欧姆定律的关系,电流大压降就大,电流小压降就小,导通后既然等效是一个线性元件,线性元件就可以并联应用,当这样两个电阻并联在一起,就有一个自动电流平衡的作用,所以 MOS 管在一个管子功率不够的时候,可以多管并联应用,且不必另外增加平衡措施(非线性器件是不能直接并联应用的)。

 

MOS 管和普通的晶体三极管相比,有以上四项优点,就足以使 MOS 管在开关运用状态下完全取代普通的晶体三极管。目前的技术 MOS 管道 VDS 能做到 1000V,只能作为开关电源的开关管应用,随着制造工艺的不断进步,VDS 的不断提高,取代显像管电视机的行输出管也是近期能实现的。

 

二、灌流电路
1、MOS 管作为开关管应用的特殊驱动电路;灌流电路

MOS 管和普通晶体三极管相比,有诸多的优点,但是在作为大功率开关管应用时,由于 MOS 管具有的容性输入特性,MOS 管的输入端,等于是一个小电容器,输入的开关激励信号,实际上是在对这个电容进行反复的充电、放电的过程,在充放电的过程中,使 MOS 管道导通和关闭产生了滞后,使“开”与“关”的过程变慢,这是开关元件不能允许的(功耗增加,烧坏开关管),如图所示,在图 2-1 中 A 方波为输入端的激励波形,电阻 R 为激励信号内阻,电容 C 为 MOS 管输入端等效电容,激励波形 A 加到输入端是对等效电容 C 的充放电作用,使输入端实际的电

 

图 2-1


压波形变成 B 的畸变波形,导致开关管不能正常开关工作而损坏,解决的方法就是,只要 R 足够的小,甚至没有阻值,激励信号能提供足够的电流,就能使等效电容迅速的充电、放电,这样 MOS 开关管就能迅速的“开”、“关”,保证了正常工作。由于激励信号是有内阻的,信号的激励电流也是有限度,我们在作为开关管的 MOS 管的输入部分,增加一个减少内阻、增加激励电流的“灌流电路”来解决此问题,如图 2-2 所示。

 

 

图 2-2


在图 2-2 中;在作为开关应用的 MOS 管 Q3 的栅极 S 和激励信号之间增加 Q1、Q2 两只开关管,此两只管均为普通的晶体三极管,两只管接成串联连接,Q1 为 NPN 型 Q2 为 PNP 型,基极连接在一起(实际上是一个 PNP、NPN 互补的射极跟随器),两只管等效是两只在方波激励信号控制下轮流导通的开关,如图 2-2-A、图 2-2-B


当激励方波信号的正半周来到时;晶体三极管 Q1(NPN)导通、Q2(PNP)截止,VCC 经过 Q1 导通对 MOS 开关管 Q3 的栅极充电,由于 Q1 是饱和导通,VCC 等效是直接加到 MOS 管 Q3 的栅极,瞬间充电电流极大,充电时间极短,保证了 MOS 开关管 Q3 的迅速的“开”,如图 2-2-A 所示(图 2-2-A 和图 2-2-B 中的电容 C 为 MOS 管栅极 S 的等效电容)。


当激励方波信号的负半周来到时;晶体三极管 Q1(NPN)截止、Q2(PNP)导通,MOS 开关管 Q3 的栅极所充的电荷,经过 Q2 迅速放电,由于 Q2 是饱和导通,放电时间极短,保证了 MOS 开关管 Q3 的迅速的“关”,如图 2-2-B 所示。

 

 

图 2-2-A                                           图 2-2-B


由于 MOS 管在制造工艺上栅极 S 的引线的电流容量有一定的限度,所以在 Q1 在饱和导通时 VCC 对 MOS 管栅极 S 的瞬时充电电流巨大,极易损坏 MOS 管的输入端,为了保护 MOS 管的安全,在具体的电路中必须采取措施限制瞬时充电的电流值,在栅极充电的电路中串接一个适当的充电限流电阻 R,如图 2-3-A 所示。充电限流电阻 R 的阻值的选取;要根据 MOS 管的输入电容的大小,激励脉冲的频率及灌流电路的 VCC(VCC 一般为 12V)的大小决定一般在数十姆欧到一百欧姆之间。

 

图 2-3-A                                   

 

图 2-3-B


由于充电限流电阻的增加,使在激励方波负半周时 Q2 导通时放电的速度受到限制(充电时是 VCC 产生电流,放电时是栅极所充的电压 VGS 产生电流,VGS 远远小于 VCC,R 的存在大大的降低了放电的速率)使 MOS 管的开关特性变坏,为了使 R 阻值在放电时不影响迅速放电的速率,在充电限流电阻 R 上并联一个形成放电通路的二极管 D,图 2-3-B 所示。此二极管在放电时导通,在充电时反偏截止。这样增加了充电限流电阻和放电二极管后,既保证了 MOS 管的安全,又保证了 MOS 管,“开”与“关”的迅速动作。

2、另一种灌流电路
灌流电路的另外一种形式,对于某些功率较小的开关电源上采用的 MOS 管往往采用了图 2-4-A 的电路方式。

 

图 2-4-A                                            

 

图 2-4-B


图中 D 为充电二极管,Q 为放电三极管(PNP)。工作过程是这样,当激励方波正半周时,D 导通,对 MOS 管输入端等效电容充电(此时 Q 截止),在当激励方波负半周时,D 截止,Q 导通,MOS 管栅极 S 所充电荷,通过 Q 放电,MOS 管完成“开”与“关”的动作,如图 2-4-B 所示。此电路由激励信号直接“灌流”,激励信号源要求内阻较低。该电路一般应用在功率较小的开关电源上。

 

3、MOS 管开关应用必须设置泄放电阻;
MOS 管在开关状态工作时;Q1、Q2 是轮流导通,MOS 管栅极是在反复充电、放电的状态,如果在此时关闭电源,MOS 管的栅极就有两种状态;一个状态是;放电状态,栅极等效电容没有电荷存储,一个状态是;充电状态,栅极等效电容正好处于电荷充满状态,图 2-5-A 所示。虽然电源切断,此时 Q1、Q2 也都处于断开状态,电荷没有释放的回路,MOS 管栅极的电场仍然存在(能保持很长时间),建立导电沟道的条件并没有消失。这样在再次开机瞬间,由于激励信号还没有建立,而开机瞬间 MOS 管的漏极电源(VDS)随机提供,在导电沟道的作用下,MOS 管即刻产生不受控的巨大漏极电流 ID,引起 MOS 管烧坏。为了避免此现象产生,在 MOS 管的栅极对源极并接一只泄放电阻 R1,如图 2-5-B 所示,关机后栅极存储的电荷通过 R1 迅速释放,此电阻的阻值不可太大,以保证电荷的迅速释放,一般在 5K~数 10K 左右。

 

图 2-5-A                                              

图 2-5-B

 

灌流电路主要是针对 MOS 管在作为开关管运用时其容性的输入特性,引起“开”、“关”动作滞后而设置的电路,当 MOS 管作为其他用途;例如线性放大等应用,就没有必要设置灌流电路。

 

三、大功率 MOS 管开关电路。实例应用电路分析
初步的了解了以上的关于 MOS 管的一些知识后,一般的就可以简单的分析,采用 MOS 管开关电源的电路了。


1、 三星等离子 V2 屏开关电源 PFC 部分激励电路分析;
图 3-1 所示是三星 V2 屏开关电源,PFC 电源部分电原理图,图 3-2 所示是其等效电路框图。

 

图 3-1

 

图 3-2


图 3-1 所示;是三星 V2 屏等离子开关电源的 PFC 激励部分。从图中可以看出;这是一个并联开关电源 L1 是储能电感,D10 是这个开关电源的整流二极管,Q1、Q2 是开关管,为了保证 PFC 开关电源有足够的功率输出,采用了两只 MOS 管 Q1、Q2 并联应用(图 3-2 所示;是该并联开关电源等效电路图,图中可以看出该并联开关电源是加在整流桥堆和滤波电容 C5 之间的),图中 Q3、Q4 是灌流激励管,Q3、Q4 的基极输入开关激励信号, VCC-S-R 是 Q3、Q4 的 VCC 供电(22.5V)。两只开关管 Q1、Q2 的栅极分别有各自的充电限流电阻和放电二极管,R16 是 Q2 的在激烈信号为正半周时的对 Q2 栅极等效电容充电的限流电阻,D7 是 Q2 在激烈信号为负半周时的 Q2 栅极等效电容放电的放电二极管,同样 R14、D6 则是 Q1 的充电限流电阻和放电的放电二极管。R17 和 R18 是 Q1 和 Q2 的关机栅极电荷泄放电阻。D9 是开机瞬间浪涌电流分流二极管。

 

2、 三星等离子 V4 屏开关电源 PFC 部分激励电路分析;
图 3-3 所示;是三星 V4 屏开关电源 PFC 激励部分电原理图,可以看出该 V4 屏电路激励部分原理相同于 V2 屏。只是在每一只大功率 MOS 开关管的栅极泄放电阻(R209、R206)上又并联了过压保护二极管;ZD202、ZD201 及 ZD204、ZD203

 

图 3-3


3、 海信液晶开关电源 PFC 部分激励电路分析,图 3-4 所示;
海信液晶电视 32 寸~46 寸均采用该开关电源,电源采用了复合集成电路 SMA—E1017(PFC 和 PWM 共用一块复合激励集成电路),同样该 PFC 开关电源部分也是一个并联的开关电源,图 3-4 所示。TE001 是储能电感、DE004 是开关电源的整流管、QE001、QE002 是两只并联的大功率 MOS 开关管。该集成电路的 PFCOUTPUT 端子是激励输出,,RE008、RE009、RE010、VE001、DE002、RE011、DE003 组成 QE001 和 QE002 的灌流电路。

 

图 3-4


灌流电路的等效电路如图 3-5 所示,从图中,可以清晰的看出该灌流电路的原理及各个元件的作用。

 

从等效电路图来分析,集成电路的激励输出端(PFCOUTPUT 端子),输出方波的正半周时 DE002 导通,经过 RE008、RE010 对 MOS 开关管 QE001 和 QE002 的栅极充电,当激励端为负半周时,DE002 截止,由于晶体三极管 VE001 是 PNP 型,负半周信号致使 VE001 导通,此时;QE001 和 QE002 的栅极所充电荷经过 VE001 放电,MOS 管完成“开”、“关”周期的工作。从图 3-5 的分析中,RE011 作用是充电的限流电阻,而在放电时由于 VE001 的存在和导通,已经建立了放电的回路,DE003 的作用是加速 VE001 的导通,开关管关闭更加迅速。

 

图 3-4 所示原理图是 PFC 开关电源及 PWM 开关电源的电原理图,该电路中的集成电路 MSA-E1017 是把 PFC 部分的激励控制和 PWM 部分激励控制复合在一块集成电路中,图 3-6 是原理框图,图中的 QE003 及 TE002 是 PWM 开关电源的开关管及开关变压器,RE050 是 QE003 的充电限流电阻、DE020 是其放电二极管。

 

图 3-5

 

图 3-6

 

四、MOS 管的防静电保护
MOS 管是属于绝缘栅场效应管,栅极是无直流通路,输入阻抗极高,极易引起静电荷聚集,产生较高的电压将栅极和源极之间的绝缘层击穿。早期生产的 MOS 管大都没有防静电的措施,所以在保管及应用上要非常小心,特别是功率较小的 MOS 管,由于功率较小的 MOS 管输入电容比较小,接触到静电时产生的电压较高,容易引起静电击穿。而近期的增强型大功率 MOS 管则有比较大的区别,首先由于功能较大输入电容也比较大,这样接触到静电就有一个充电的过程,产生的电压较小,引起击穿的可能较小,再者现在的大功率 MOS 管在内部的栅极和源极有一个保护的稳压管 DZ(图 4-1 所示),把静电嵌位于保护稳压二极管的稳压值以下,有效的保护了栅极和源极的绝缘层,不同功率、不同型号的 MOS 管其保护稳压二极管的稳压值是不同的。虽然 MOS 管内部有了保护措施,我们操作时也应按照防静电的操作规程进行,这是一个合格的维修员应该具备的。

 

图 4-1


五、MOS 管的检测与代换:
在修理电视机及电器设备时,会遇到各种元器件的损坏,MOS 管也在其中,这就是我们的维修人员如何利用常用的万用表来判断 MOS 管的好坏、优劣。在更换 MOS 管是如果没有相同厂家及相同型号时,如何代换的问题。

 

1、MOS 管的测试:
作为一般的电器电视机维修人员在测量晶体三极管或二极管时,一般是采用普通的万用表来判断三极管或者二极管的好坏,虽然对所判断的三极管或二极管的电气参数没法确认,但是只要方法正确对于确认晶体三极管的“好”与“坏”还是没有问题的。同样 MOS 管也可以应用万用表来判断其“好”与“坏”,从一般的维修来说,也可以满足需求了。

 

检测必须采用指针式万用表(数字表是不适宜测量半导体器件的)。对于功率型 MOSFET 开关管都属 N 沟道增强型,各生产厂的产品也几乎都采用相同的 TO-220F 封装形式(指用于开关电源中功率为 50—200W 的场效应开关管),其三个电极排列也一致,即将三只引脚向下,打印型号面向自巳,左侧引脚为栅极,右测引脚为源极,中间引脚为漏极如图 5-1 所示。

 

图 5-1


1)万用表及相关的准备:
首先在测量前应该会使用万用表,特别是欧姆档的应用,要了解欧姆挡才会正确应用欧姆挡来测量晶体三极管及 MOS 管(现在很多的从事修理人员,不会使用万用表,特别是万用表的欧姆挡,这绝不是危言耸听,问问他?他知道欧姆挡的 R×1 R×10 R×100 R×1K R×10K,在表笔短路时,流过表笔的电流分别有多大吗?这个电流就是流过被测元件的电流。他知道欧姆挡在表笔开路时表笔两端的电压有多大吗?这就是在测量时被测元件在测量时所承受的电压)关于正确使用万用表欧姆挡的问题,可以参阅可以参阅“您会用万用表的欧姆挡测量二极管、三极管吗?”“可以参阅本博客“您会用万用表的欧姆挡测量二极管、三极管吗?”一文,因篇幅问题这里不再赘述。

 

用万用表的欧姆挡的欧姆中心刻度不能太大,最好小于 12Ω(500 型表为 12Ω),这样在 R×1 挡可以有较大的电流,对于 PN 结的正向特性判断比较准确。万用表 R×10K 挡内部的电池最好大于 9V,这样在测量 PN 结反相漏电流时比较准确,否则漏电也测不出来。

 

图 5-2


现在由于生产工艺的进步,出厂的筛选、检测都很严格,我们一般判断只要判断 MOS 管不漏电、不击穿短路、内部不断路、能放大就可以了,方法极为简单:


采用万用表的 R×10K 挡;R×10K 挡内部的电池一般是 9V 加 1.5V 达到 10.5V 这个电压一般判断 PN 结点反相漏电是够了,万用表的红表笔是负电位(接内部电池的负极),万用表的黑表笔是正电位(接内部电池的正极),图 5-2 所示。


2)测试步骤
把红表笔接到 MOS 管的源极 S;把黑表笔接到 MOS 管的漏极 D,此时表针指示应该为无穷大,如图 5-3 所示。如果有欧姆指数,说明被测管有漏电现象,此管不能用。

 

图 5-3


保持上述状态;此时用一只 100K~200K 电阻连接于栅极和漏极,如图 5-4 所示;这时表针指示欧姆数应该越小越好,一般能指示到 0 欧姆,这时是正电荷通过 100K 电阻对 MOS 管的栅极充电,产生栅极电场,由于电场产生导致导电沟道致使漏极和源极导通,所以万用表指针偏转,偏转的角度大(欧姆指数小)证明放电性能好。

 

图 5-4


此时在图 5-4 的状态;再把连接的电阻移开,这时万用表的指针仍然应该是 MOS 管导通的指数不变,如图 5-5 所示。虽然电阻拿开,但是因为电阻对栅极所充的电荷并没有消失,栅极电场继续维持,内部导电沟道仍然保持,这就是绝缘栅型 MOS 管的特点。如果电阻拿开表针会慢慢的逐步的退回到高阻甚至退回到无穷大,要考虑该被测管栅极漏电。

 

图 5-5


这时用一根导线,连接被测管的栅极和源极,万用表的指针立即返回到无穷大,如图 5-6 所示。导线的连接使被测 MOS 管,栅极电荷释放,内部电场消失;导电沟道也消失,所以漏极和源极之间电阻又变成无穷大。
 

图 5-6


2、MOS 管的更换
在修理电视机及各种电器设备时,遇到元器件损坏应该采用相同型号的元件进行更换。但是,有时相同的元件手边没有,就要采用其他型号的进行代换,这样就要考虑到各方面的性能、参数、外形尺寸等,例如电视的里面的行输出管,只要考虑耐压、电流、功率一般是可以进行代换的(行输出管外观尺寸几乎相同),而且功率往往大一些更好。对于 MOS 管代换虽然也是这一原则,最好是原型号的最好,特别是不要追求功率要大一些,因为功率大;输入电容就大,换了后和激励电路就不匹配了,激励灌流电路的充电限流电阻的阻值的大小和 MOS 管的输入电容是有关系的,选用功率大的尽管容量大了,但输入电容也就大了,激励电路的配合就不好了,这反而会使 MOS 管的开、关性能变坏。所示代换不同型号的 MOS 管,要考虑到其输入电容这一参数。例如有一款 42 寸液晶电视的背光高压板损坏,经过检查是内部的大功率 MOS 管损坏,因为无原型号的代换,就选用了一个,电压、电流、功率均不小于原来的 MOS 管替换,结果是背光管出现连续的闪烁(启动困难),最后还是换上原来一样型号的才解决问题。

 

检测到 MOS 管损坏后,更换时其周边的灌流电路的元件也必须全部更换,因为该 MOS 管的损坏也可能是灌流电路元件的欠佳引起 MOS 管损坏。即便是 MOS 管本身原因损坏,在 MOS 管击穿的瞬间,灌流电路元件也受到伤害,也应该更换。就像我们有很多高明的维修师傅在修理 A3 开关电源时;只要发现开关管击穿,就也把前面的 2SC3807 激励管一起更换一样道理(尽管 2SC3807 管,用万用表测量是好的)。

 

另外 “工欲善其事必先利其器”准备一本 MOS 管手册、一块好的万用表(欧姆挡中心刻度 12 欧或更小)、一套好的工具是必须的。

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从基础开始描述MOS管

MOS 管学名是场效应管,是金属 - 氧化物 - 半导体型场效应管,属于绝缘栅型。本文就结构构造、特点、实用电路等几个方面用工程师的话简单描述。