MOS管功率放大器电路图系统设计

​MOS晶体管金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS-IC。

金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而PMOS管和NMOS管共同构 成的互补型MOS集成电路即为CMOS-IC

做电源设计，或者做驱动方面的电路，难免要用到MOS管。MOS管有很多种类，也有很多作用。做电源或者驱动的使用，当然就是用它的开关作用。

无论N型或者P型MOS管，其工作原理本质是一样的。MOS管是由加在输入端栅极的电压来控制输出端漏极的电流。MOS管是压控器件它通过加在栅极上的电压控制器件的特性，不会发生像三极管做开关时的因基极电流引起的电荷存储效应，因此在开关应用中，MOS管的开关速度应该比三极管快。其主要原理如图:图1。

图1 MOS管的工作原理

我们在开关电源中常用MOS管的漏极开路电路，如图2漏极原封不动地接负载，叫开路漏极，开路漏极电路中不管负载接多高的电压，都能够接通和关断负载电流。是理想的模拟开关器件。这就是MOS管做开关器件的原理。当然MOS管做开关使用的电路形式比较多了。

图2 NMOS管的开路漏极电路

在开关电源应用方面，这种应用需要MOS管定期导通和关断。比如，DC-DC电源中常用的基本降压转换器依赖两个MOS管来执行开关功能，这些开关交替在电感里存储能量，然后把能量释放给负载。我们常选择数百kHz乃至1MHz以上的频率，因为频率越高，磁性元件可以更小更轻。在正常工作期间，MOS管只相当于一个导体。因此，我们电路或者电源设计人员最关心的是MOS的最小传导损耗。

我们经常看MOS管的PDF参数，MOS管制造商采用RDS(ON)参数来定义导通阻抗，对开关应用来说，RDS(ON)也是最重要的器件特性。数据手册定义RDS(ON)与栅极(或驱动)电压VGS以及流经开关的电流有关，但对于充分的栅极驱动，RDS(ON)是一个相对静态参数。一直处于导通的MOS管很容易发热。另外，慢慢升高的结温也会导致RDS(ON)的增加。MOS管数据手册规定了热阻抗参数，其定义为MOS管封装的半导体结散热能力。RθJC的最简单的定义是结到管壳的热阻抗。

其发热情况有:

1.电路设计的问题，就是让MOS管工作在线性的工作状态，而不是在开关状态。这也是导致MOS管发热的一个原因。如果N-MOS做开关，G级电压要比电源高几V，才能完全导通，P-MOS则相反。没有完全打开而压降过大造成功率消耗，等效直流阻抗比较大，压降增大，所以U*I也增大，损耗就意味着发热。这是设计电路的最忌讳的错误。

2.频率太高，主要是有时过分追求体积，导致频率提高，MOS管上的损耗增大了，所以发热也加大了。

3.没有做好足够的散热设计，电流太高，MOS管标称的电流值，一般需要良好的散热才能达到。所以ID小于最大电流，也可能发热严重，需要足够的辅助散热片。

4.MOS管的选型有误，对功率判断有误，MOS管内阻没有充分考虑，导致开关阻抗增大。

首先考察一个更简单的器件--MOS电容--能更好的理解MOS管。这个器件有两个电极，一个是金属，另一个是extrinsic silicon(外在硅)，他们之间由一薄层二氧化硅分隔开。金属极就是GATE，而半导体端就是backgate或者body。他们之间的绝缘氧化层称为gate dielectric(栅介质)。图示中的器件有一个轻掺杂P型硅做成的backgate。这个MOS 电容的电特性能通过把backgate接地，gate接不同的电压来说明。MOS电容的GATE电位是0V。金属GATE和半导体BACKGATE在WORK FUNCTION上的差异在电介质上产生了一个小电场。在器件中，这个电场使金属极带轻微的正电位，P型硅负电位。这个电场把硅中底层的电子吸引到表面来，它同时把空穴排斥出表面。这个电场太弱了，所以载流子浓度的变化非常小，对器件整体的特性影响也非常小。

当MOS电容的GATE相对于BACKGATE正偏置时发生的情况。穿过GATE DIELECTRIC的电场加强了，有更多的电子从衬底被拉了上来。同时，空穴被排斥出表面。随着GATE电压的升高，会出现表面的电子比空穴多的情况。由于过剩的电子，硅表层看上去就像N型硅。掺杂极性的反转被称为inversion，反转的硅层叫做channel。随着GATE电压的持续不断升高，越来越多的电子在表面积累，channel变成了强反转。Channel形成时的电压被称为阈值电压Vt。当GATE和BACKGATE之间的电压差小于阈值电压时，不会形成channel。当电压差超过阈值电压时，channel就出现了。

MOS电容:(A)未偏置(VBG=0V)，(B)反转(VBG=3V)，(C)积累(VBG=-3V)。

正是当MOS电容的GATE相对于backgate是负电压时的情况。电场反转，往表面吸引空穴排斥电子。硅表层看上去更重的掺杂了，这个器件被认为是处于accumulation状态了。

MOS电容的特性能被用来形成MOS管。Gate，电介质和backgate保持原样。在GATE的两边是两个额外的选择性掺杂的区域。其中一个称为source，另一个称为drain。假设source 和backgate都接地，drain接正电压。只要GATE对BACKGATE的电压仍旧小于阈值电压，就不会形成channel。Drain和backgate之间的PN结反向偏置，所以只有很小的电流从drain流向backgate。如果GATE电压超过了阈值电压，在GATE电介质下就出现了channel。这个channel就像一薄层短接drain和source的N型硅。由电子组成的电流从source通过channel流到drain。总的来说，只有在gate 对source电压V 超过阈值电压Vt时，才会有drain电流。

在对称的MOS管中，对source和drain的标注有一点任意性。定义上，载流子流出source，流入drain。因此Source和drain的身份就靠器件的偏置来决定了。有时晶体管上的偏置电压是不定的，两个引线端就会互相对换角色。这种情况下，电路设计师必须指定一个是drain另一个是source。

Source和drain不同掺杂不同几何形状的就是非对称MOS管。制造非对称晶体管有很多理由，但所有的最终结果都是一样的。一个引线端被优化作为drain，另一个被优化作为source。如果drain和source对调，这个器件就不能正常工作了。

晶体管有N型channel所有它称为N-channel MOS管，或NMOS。P-channel MOS(PMOS)管也存在，是一个由轻掺杂的N型BACKGATE和P型source和drain组成的PMOS管。如果这个晶体管的GATE相对于BACKGATE正向偏置，电子就被吸引到表面，空穴就被排斥出表面。硅的表面就积累，没有channel形成。如果GATE相对于BACKGATE反向偏置，空穴被吸引到表面，channel形成了。因此PMOS管的阈值电压是负值。由于NMOS管的阈值电压是正的，PMOS的阈值电压是负的，所以工程师们通常会去掉阈值电压前面的符号。一个工程师可能说，"PMOS Vt从0.6V上升到0.7V"， 实际上PMOS的Vt是从-0.6V下降到-0.7V。