聊聊MOS管

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NMOS的用法

首先来看这么一张简单的图(图1),我们可以用手去控制这个开关的开合,以此来控制这个灯光的亮灭。

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图1

那如果我们想要用Arduino或者单片机去控制这个灯泡的话,就需要使用MOS管来替换掉这个开关了。为了更加符合我们工程的实际使用习惯呢,我们需要把这张图稍微转换一下,就像如图2这样子。

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图2
 
那这两张图是完全等价的,我们可以看到MOS管是有三个端口,也就是有三个引脚,分别是GATE、DRAIN和SOURCE。至于为啥这么叫并不重要,只要记住他们分别简称G、D、S就可以。
 

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图3
 
我们把单片机的一个IO口接到MOS管的gate端口,就可以控制这个灯泡的亮灭了。当然别忘了供电。当这个单片机的IO口输出为高的时候,NMOS就等效为这个被闭合的开关,指示灯光就会被打开;那输出为低的时候呢,这个NMOS就等效为这个开关被松开了,那此时这个灯光就被关闭,是不很简单。
 

那如果我们不停的切换这个开关,那灯光就会闪烁。如果切换的这个速度再快一点,因为人眼的视觉暂留效应,灯光就不闪烁了。此时我们还能通过调节这个开关的时间来调光,这就是所谓的PWM波调光,以上就是MOS管最经典的用法,它实现了单片机的IO口控制一个功率器件。当然你完全可以把灯泡替换成其他的器件。器件比如说像水泵、电机、电磁铁这样的东西。

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图4:PWM波调光
 

如何选择NMOS

明白了NMOS的用法之后呢,我们来看一下要如何选择一个合适的NMOS,也就是NMOS是如何选型的。
 
那对于一个初学者来说,有四个比较重要的参数需要来关注一下。第一个是封装,第二个是Vgs(th),第三个是Rds(on)上,第四个是Cgs。
 
封装比较简单,它指的就是一个MOS管这个外形和尺寸的种类也有很多。一般来说封装越大,它能承受的电流也就越大。为了搞明白另外三个参数呢,我们先要来介绍一下NMOS的等效模型。

 

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图5:NMOS等效模型

 

MOS其实可以看成是一个由电压控制的电阻。这个电压指的是G、S的电压差,电阻指的是D、S之间的电阻。这个电阻的大小会随着G、S电压的变化而变化。当然它们不是线性对应的关系,实际的关系差不多像这样的,横坐标是G、S电压差。

 

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图6:Rds与Vgs关系图

 

纵坐标是电阻的值,当G、S的电压小于一个特定值的时候呢,电阻基本上是无穷大的。然后这个电压值大于这个特定值的时候,电阻就接近于零,至于说等于这个值的时候会怎么样,我们先不用管这个临界的电压值,我们称之为Vgs(th),也就是打开MOS管需要的G、S电压,这是每一个MOS管的固有属性,我们可以在MOS管的数据手册里面找到它。

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图7:MOS管数据手册

 

显然,Vgs(th)一定要小于这个高电平的电压值,否则就没有办法被正常的打开。所以在你选择这个MOS管的时候,如果你的高电平是对应的5V,那么选3V左右的Vgs(th)是比较合适的。太小的话会因为干扰而误触发,太大的话又打不开这个MOS管。

 

接下来,我们再来看看NMOS的第二个重要参数Rdson,刚才有提到NMOS被完全打开的时候,它的电阻接近于零。但是无论多小,它总归是有一个电阻值的,这就是所谓的Rds(on)。它指的是NMOS被完全打开之后,D、S之间的电阻值。同样的你也可以在数据手册上找到它。这个电阻值当然是越小越好。越小的话呢,它分压分的少,而且发热也相对比较低。但实际情况一般Rds(on)越小,这个NMOS的价格就越高,而且一般对应的体积也会比较大。所以还是要量力而行,选择恰好合适。

 

最后说一下Cgs,这个是比较容易被忽视的一个参数,它指的是G跟S之间的寄生电容。所有的NMOS都有,这是一个制造工艺的问题,没有办法被避免。

 

那它会影响到NMOS打开速度,因为加载到gate端的电压,首先要给这个电容先充电,这就导致了G、S的电压并不能一下子到达给定的一个数值。

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图8

 

它有一个爬升的过程。当然因为Cgs比较小,所以一般情况下我们感觉不到它的存在。但是当我们把这个时间刻度放大的时候,我们就可以发现这个上升的过程了。对于这个高速的PWM波控制场景是致命的。当PWM波的周期接近于这个爬升时间时,这个波形就会失真。一般来说Cgs大小和Rds(on)是成反比的关系。Rds(on)越小,Cgs就越大。所以大家要注意平衡他们之间的关系。

 

以上就是关于NMOS大家需要初步掌握的知识了,希望能对大家有所帮助。

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