MOSFET

1.1 MOSFET概述

MOSFET作为电子电路一种很重要的元器件，在主板的开关电源中也有广泛应用。MOSFET与晶体三极管很类似，不过三极管是通过电流控制电流的器件，而MOSFET是通过电压控制。

金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在类比电路与数位电路的场效晶体管（field-effect transistor）。

MOSFET和三极管一样有三个极，但名称和三极管不一样，分别是：G(栅极)、S(源极)及D(漏极)。

1.2 MOSFET分类

MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。

在主板电路中，常用MOSFET为NMOS管，用作开关电源和电源，在CPU，北桥，内存供电都有用到。

1.3 MOSFET内部结构及基本原理

MOSFET内部结构如下图所示。

图 MOSFET内部结构

MOSFET用作开关

静态特性：

MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。由于MOS管是电压控制元件，所以主要由栅源电压uGS决定其工作状态。如下图为MOS管作为开关的原理图示。

图 MOS管作为开关的导通和截止状态

转移特性和输出特性曲线如下图所示：

工作特性如下：

uGS＜开启电压UT：MOS管工作在截止区，漏源电流iDS基本为0，输出电压uDS≈UDD，MOS管处于“断开”状态。

uGS＞开启电压UT：MOS管工作在导通区，漏源电流iDS=UDD/(RD+rDS)。其

中，rDS为MOS管导通时的漏源电阻。输出电压UDS=UDD·rDS/(RD+rDS),如果

rDS＜＜RD，则uDS≈0V，MOS管处于“导通”状态。

动态特性：

MOS管在导通与截止两种状态发生转换时同样存在过渡过程，但其动态特性主要取决于与电路有关的杂散电容充、放电所需的时间，而管子本身导通和截止时电荷积累和消散的时间是很小的。下图给出了一个NMOS管组成的电路及其动态特性示意图。

图 MOS管等效电路及动态特性

当输入电压

ui由高变低，MOS

管由导通状态转换为截止状态时，电源

o

UDD

通过RD向杂散电容CL充电，充电时间常数τ1=RDCL。所以，输出电压u要通

过一定延时才由低电平变为高电平；当输入电压ui由低变高，MOS管由截止状态转换为导通状态时，杂散电容CL上的电荷通过rDS进行放电，其放电时间常数τ2≈rDSCL。可见，输出电压Uo也要经过一定延时才能转变成低电平。但因为rDS比RD小得多，所以，由截止到导通的转换时间比由导通到截止的转换时间要短。

由于MOS管导通时的漏源电阻rDS比晶体三极管的饱和电阻rCES要大得多，漏极外接电阻RD也比晶体管集电极电阻RC大，所以，MOS管的充、放电时间较长，使MOS管的开关速度比晶体三极管的开关速度低。不过，在CMOS电路中，由于

充电电路和放电电路都是低阻电路，因此，其充、放电过程都比较快，从而使CMOS电路有较高的开关速度。

N沟道增强型MOS管的开关特性

在MOS集成电路中，为了使电路前后两级的高低电平范围能大致相同，一般都采用增强型MOS管作为开关工作管。由于PMOS集成电路的工艺较容易，它的产品较早问世，但从概念的叙述来说，由于NMOS各极所加电压均是正值，分析较为直观。所以，一般都以NMOS为例去分析MOS集成电路的组成及工作原理。PMOS电路只是电压极性相反，分析的思路完全相同。

一、NMOS管的开关作用

N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构如图11-28(a)所示。该类场效应管以一

块掺杂浓度较低、电阻率较高的P型硅半导体薄片作为衬底，利用扩散工艺制作两个高掺杂的N+区，然后在P型硅表面制作一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在二氧化硅的表面及两个N+区的表面上分别安置三个金属铝电极—栅极G(Gate)、源极S(Source)、漏极(Drain)，就成了N沟道MOS管。通常将衬底与源极接在一起使用。这样，栅极和衬底各相当于一个板极，中间是绝缘层，形成电容。当栅—源电压变化时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。

由于栅极与源极、漏极均无电接触，故称“绝缘栅极”，图11-28(b)是N沟道增强型绝缘栅场效应管的代表符号，图11-28(c)是P沟道增强型绝缘栅场效应

S G D 二氧化硅 金属铝 D D D

N+ N+ G B G B G B

P型硅衬底 S S S

B衬底引线 (a)N沟道结构示意图 (b)N沟道增强型 (c)P沟道增强型 (d)N沟道耗尽型

图11-28 绝缘栅场效应管的结构及符号

管的代表符号，图11-28(d)也给出N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的代表符号。

MOS管是一个受输入电压控制的器件。由于“绝缘栅极”，所以输入电阻很大（1010Ω以上），输入电流可以看作为零。

工作原理：

当栅极—源极之间不加电压时，漏极—源极之间是两只背向的PN结，不存在导电沟道，因此，即是漏极—源极之间加上电压，也不会有漏极电流。

当uDS=0且uGS>0时，由于二氧化硅的存在，栅极电流为零。但是栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近二氧化硅一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层，如图11-29(a)所示。当uGS增大时，一方面耗尽层增宽，另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层，称为反向层，如图11-29(b)所示。这个反向层就构成了漏极—源极的导电沟道。使沟道刚刚形成的栅极—源极电压称为开启电压(threshold voltage)UT。

S uGS G D S uGS G D N+ N+ N+ N+ P 耗尽层 电子 P 反型层 B B (a)耗尽层形成 (b)导电沟道的形成

图11-29 uDS=0时uGS对导电沟道的影响

uGS越大，反向层越厚，导电沟道电阻越小。

当uGS是大于UT的确定值时，若在D—S之间加正向电压，则将产生一定的

漏极电流。即uDS较小时，uDS的增大使iD线性增大，沟道沿源极—漏极方向逐渐变窄。一旦uDS增大到使uGD=UT（即uGD=uGS–UT）时，沟道在漏极一侧出现夹断点，称为预夹断。如果uDS继续增大，夹断区随之延长。而且uDS增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力。从外部看，iD几乎不因uDS的增大而变化，管子进入恒流区，iD几乎仅决定于uGS。

在uDS>uGS–UT时，对应于每一个uGS就有一个确定的iD。此时，可将iD视为

uDS uDS uDS S uGS G D S uGS G D S uGS G D N+ N+ N+ N+ N+ N+ P P P B B (a)uDSuGS-UT

图11-30 uGS大于UT的某一值时uDS对iD的影响

电压uGS控制的电流源。

特性曲线与电流方程：

图11-31(a)、(b)所示分别为N沟道增强型MOS管的转移特性和输出特性曲线，它们之间的关系见图中标注。与三极管的输出特性曲线一样，MOS管的输出特性也有三个工作区域：可变电阻区、恒流区及夹断区，如图中所标注。

漏极电流iD与栅—源电压uGS的近似关系式为：

iDIDOuGS1UT2

iD iD 可变 预夹断轨迹 电阻区 IDO IDO uGS3=2UT 恒流区 uGS2

uGS1 uGS=UT 0 UT 2UT uGS 0 uDS 夹断区 (a) 转移特性 (b) 输出特性

11-31 N沟道增强性MOS管的特性曲线

其中IDO是uGS=2UT时的iD。

从N沟道增强型绝缘栅场效应管的转移特性知，只有当输入端栅源电压UGS的值大于管子的开启电压UT的值时，漏极和源极之间才能形成导电沟道，并在漏源间正向电压uDS的作用下，与外电路闭合，有漏极电流iD流过MOS管的漏源端。因此，如图11-32(a)的NMOS管开关电路（为了便于同学与已学过的NPN三极管进行比较理解，我们采用11-32b的简化开关电路），只要输入电压ui>UT时，

UoUDDMOS管导通，若漏极电阻RD>>ron(MOS管的导通电阻)，

RDronron，输出为

低电平，相当于开关闭合。当uiUT，使MOS管工作在漏

+UDD +UDD RD RD uo uo D D ui G ui G S S (a)开关电路 (b)简化开关电路 图11-32 NMOS管开关电路 极特性的恒流区）。 二、NMOS管的开关时间

NMOS管工作时，管内只有一种载流子—电子参与导电，因此没有双极性晶体管饱和工作时有存储电荷效应的问题，这正是开关时间上MOS电路优于晶体管电路的方面。但是相对来说，NMOS管工作时，其导通电阻ron（几百欧）要比双极性晶体管饱和工作时大，为了能够得到所要求的输出低电平的值，漏极负载电阻RD的值要大于ron的值10~20倍以上，这样，当考虑输出端的负载电容Co（包括下一级MOS管的输入电容和分布电容）时，NMOS管从导通转为截止，负载电容Co的充电时间将很大。例如，RD=100KΩ，Co=1pF，充电时间常数

RDCo10010110312100ns，这就使得MOS电路在开关时间上一般要比晶

体管电路大。

1.4 MOSFET极性判断

1.判定栅极G

将万用表拨至R×1k档（说明是模拟万用表）分别测量三个管脚之间的电阻。若发现某脚与其字两脚的电阻均呈无穷大，并且交换表笔后仍为无穷大，则证明此脚为G极，因为它和另外两个管脚是绝缘的。 2．判定源极S、漏极D

由图1可见，在源-漏之间有一个PN结，因此根据PN结正、反向电阻存在差异，可识别S极与D极。用交换表笔法测两次电阻，其中电阻值较低（一般为几千欧至十几千欧）的一次为正向电阻，此时黑表笔（+）的是S极，红表笔（-）接D极。（模拟万用表）

1.5 开关电源基础

1.5.1开关电源的基本控制原理 （一）．开关电源的控制结构：

一般地，开关电源大致由输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组成。 如果细致划分，它包括：输入滤波、输入整流、开关电路、采样、基准电源、比较放大、震荡器、V/F转换、基极驱动、输出整流、输出滤波电路等实

际的开关电源还要有保护电路、功率因素校正电路、同步整流驱动电路及其它一些辅助电路等。下面是一个典型的开关电源原理框图，掌握它对我们理解开关电源有重要意义。

图 开关电源的基本结构框图

根据控制类型不同，PM（脉冲调制）电路可能有多种形式。这里是典型的PFM 结构。

（二）．开关电源的构成原理： 输入电路：

线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路。

作用：把输入电网交流电源转化为符合要求的开关电源直流输入 电源。

1．线性滤波电路： 抑制谐波和噪声。

2．浪涌滤波电路： 抑制来自电网的浪涌电流。 3．整流电路： 把交流变为直流。

有电容输入型、扼流圈输入型两种，开关电源多数为前者。 变换电路：

含开关电路、输出隔离（变压器）电路等，是开关电源电源变换的主通道，完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出。这一级的开关功率管是其核心器件。

1．开关电路

驱动方式：自激式、他激式。

变换电路：隔离型、非隔离型、谐振型。 功率器件：最常用的有GTR、MOSFET、IGBT。 调制方式：PWM、PFM、混合型三种。PWM 最常用。 2．变压器输出

分无抽头、带抽头。半波整流、倍流整流时，无须抽头，全波时必须有抽头。 控制电路：

向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的目的。

基准电路：提供电压基准。如并联型基准LM358、AD5，串联型基准AD581、REF192 等。

采样电路：采取输出电压的全部或部分。

比较放大：把采样信号和基准信号比较，产生误差信号，用于控制电源PM 电路。

V/F 变换：把误差电压信号转换为频率信号。 振荡器：产生高频振荡波。

基极驱动电路：把调制后的振荡信号转换成合适的控制信号，驱动开关管的基极。 输出电路：

整流、滤波。

把输出电压整流成脉动直流，并平滑成低纹波直流电压。输出整流技术现在又有半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式。 1.5.2开关电源分类总结

开关电源的分类 （一）．按控制方式：

脉冲调制变换器：驱动波形为方波。PWM、PFM、混合式。

谐振式变换器：驱动波形为正弦波。又分ZCS（零电流谐振开关）、ZVS（零电压谐振开关）两种。

（二）．按电压转换形式： 1．AC/DC：一次电源。 即整流电源。 2．DC/DC：二次电源。

1)Buck 电路：降压斩波器，入出极性相同。 2)Boost：升压斩波器，入出极性相同。

3)Buck-Boost：升/降压斩波器，入出极性相反，电感传输。 4)Cuk：升/降压斩波器，入出极性相反，电容传输。 （三）．按拓补结构： 1．隔离型：有变压器。 2．非隔离型：无变压器。 1.5.3开关电源的电压基准器件

基准电源器件在开关电源中是一个重要的器件，它主要用于作为反馈的比较基准。开关电源的比较基准一般有如下三种获得方式：

1） 使用芯片内部基准电源。 2） 使用稳压管。 3） 使用基准电源器件。

第一种方式比较方便，但灵活性往往受到；第二种则控制精度比较差。要达到比较精密的控制调节效果，建议采用基准电源器件作为误差比较基准。

基准电源器件的类型及其工作原理： 基准器件分为串联型和并联型两种。

图 串联基准与并联基准

1．并联基准

如上左图，并联基准与负载是并联的。 UREF=Uin-IFRS=Uin-（IQ+IL）RS

当负载电流发生变化时，通过调节IQ 来保持 UREF 稳定。 这类器件有：LM358、AD5等。 2．串联基准

如上右图，串联基准与负载是串联的。 UREF=Uin-IFRS=Uin-（IQ+IL）RS

当负载电流发生变化时，通过调节RS 来保持 UREF 稳定。 这类器件有：AD581、REF192、TL431等。

1.6关于MOSFET的开漏

所谓开漏电路概念中提到的“漏”就是指mosfet的漏极。同理，开集电路中的“集”就是指三极管的集电极。开漏电路就是指以mosfet的漏极为输出的电路,而开集电路一般也就认为是集电极为输出的电路。一般的用法是会在漏极外部的电路添加上拉电阻或者下拉电阻。

完整的开漏电路应该由开漏器件和开漏上拉电阻组成。如图1所示：

图 1

组成开漏形式的电路有以下几个特点：

1. 利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up ，MOSFET到GND。IC内部仅需很小的栅极驱动电流。如图1。

2. 可以将多个开漏输出的Pin，连接到一条线上。形成“与逻辑”关系。如图1，当PIN_A、PIN_B、PIN_C任意一个变低后，开漏线上的逻辑就为0了。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。

3. 可以利用改变上拉电源的电压，改变传输电平。如图2, IC的逻辑电平由电源Vcc1决定，而输出高电平则由Vcc2决定。这样我们就可以用低电平逻辑控制输出高电平逻辑了。

4. 开漏Pin不连接外部的上拉电阻，则只能输出低电平。

5. 标准的开漏脚一般只有输出的能力。添加其它的判断电路，才能具备双向输入、输出的能力。

图 2

应用中需注意：

1. 开漏和开集的原理类似，在许多应用中我们利用开集电路代替开漏电路。例如，某输入Pin要求由开漏电路驱动。则我们常见的驱动方式是利用一个三极管组成开集电路来驱动它，即方便又节省成本，如图3所示。

2. 上拉电阻R pull-up的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小。反之亦然。

图 3

1.7 MOSFET与IGBT的对比

MOSFET全称功率场效应晶体管。它的三个极分别是源极(S)、漏极(D)和栅极(C)。主要优点：热稳定性好、安全工作区大。缺点：击穿电压低，工作电流小。

IGBT全称绝缘栅双极晶体管，是MOSFET和GTR(功率晶管)相结合的产物。它的三个极分别是集电极(C)、发射极(E)和栅极(G)。特点：击穿电压可达1200V，集电极最大饱和电流已超过1500A。由IGBT作为逆变器件的变频器的容量达250kVA以上，工作频率可达20kHz。