MOSFET作为开关案例及控制表

MOSFET制造非常好的电子开关，用于控制负载和CMOS数字电路，因为它们在截止和饱和区域之间工作。

我们之前看到，N通道，增强模式MOSFET（e-MOSFET）使用正输入电压工作，具有极高的输入电阻（几乎无限大），几乎可以与任何能够产生正输出的逻辑门或驱动器连接。

我们还看到，由于这种非常高的输入（栅极）电阻，我们可以安全地将许多不同的MOSFET并联在一起，直到我们达到我们所需的电流处理能力。

将各种MOSFET并联连接可以启用我们要切换高电流或高电压负载，这样做会在元件和电路板空间变得昂贵且不切实际。为了克服这个问题，功率场效应晶体管或功率FET在哪里发展.V

我们现在知道场效应晶体管之间存在两个主要差异，耗尽型仅适用于JFET，以及MOSFET的增强型和耗尽型。在本教程中，我们将讨论使用增强型MOSFET作为开关，因为这些晶体管需要正栅极电压才能“导通”而零电压需要“关闭”，这使得它们很容易被理解为开关也易于与逻辑门接口。

增强型MOSFET或e-MOSFET的操作可以使用下面显示的IV特性曲线进行描述。当输入电压（ V IN ）到晶体管的栅极为零时，MOSFET几乎不导通电流和输出电压（ V OUT ）等于电源电压 V DD 。因此MOSFET在其“截止”区域内“关闭”。

MOSFET特性曲线

在承载所选漏极电流时，确保MOSFET保持“导通”所需的最小导通状态栅极电压可由上述V-I传输曲线确定。当 V IN 为HIGH或等于 V DD 时，MOSFET Q点移至点沿负载线的。

由于沟道电阻减小，漏极电流 I D 增加到其最大值。 I D 变为独立于 V DD 的常数值，并且仅依赖于 V GS 。因此，晶体管的行为类似于闭合开关，但由于其 R DS（on） 值，沟道导通电阻不会完全降低到零，但变得非常小。

同样，当 V IN 为低电平或降至零时，MOSFET Q点沿负载线从A点移动到B点。沟道电阻非常高，因此晶体管的作用类似于开路，没有电流流过沟道。因此，如果MOSFET的栅极电压在两个值HIGH和LOW之间切换，则MOSFET将表现为“单刀单掷”（SPST）固态开关，此操作定义为：

1.Cut-off Region

这里晶体管的工作条件是零输入栅极电压（ V IN ），零漏极电流 I D 且输出电压 V DS = V DD 。因此，对于增强型MOSFET，导电通道闭合，器件切换为“OFF”。

截止特性

•输入和门接地（0V） •栅极 - 源极电压降低比阈值电压 V GS TH •MOSFET为“OFF” “（截止区域） •没有漏极电流（ I D = 0 Amps ） • V OUT = V DS = V DD =“ 1“ •MOSFET作为”打开开关“运行

当使用e-MOSFET作为开关时，我们可以定义截止区域或“关闭模式”，即栅极电压， V GS TH 因此 I D = 0 。对于P沟道增强型MOSFET，栅极电位必须相对于源极更正。

2.饱和区

在饱和或线性区域，晶体管将是偏置使得最大栅极电压施加到器件，导致沟道电阻 R DS（on 尽可能小，最大漏极电流流过MOSFET开关。因此，对于增强型MOSFET，导电沟道是开路的，器件是“开”的。

饱和度特征

•输入和门连接到 V DD •栅极 - 源极电压远大于阈值电压 V GS > V TH •MOSFET为“ON”（饱和区） •最大漏极电流（ I D = V DD / R L ） • V DS = 0V （理想饱和度） •最小通道电阻 R DS（on） <0.1Ω • V OUT = V DS ≅0.2V由于 R DS（on） •MOSFET采用低电阻“闭合开关” ch“

然后我们可以在使用时定义饱和度区域或”ON模式“作为栅极 - 源极电压的开关的e-MOSFET， V GS > V TH 因此 I D =最大 。对于P沟道增强型MOSFET，栅极电位相对于源极必须更负。

通过向FET的栅极施加合适的驱动电压，漏极 - 源极沟道的电阻， R DS（on） 可以从数百kΩ的“关断电阻”变化，实际上是开路，到“导通电阻”小于1Ω，有效地用作短路。

当使用MOSFET作为开关时，我们可以驱动MOSFET更快或更慢地“导通”，或者通过高电流或低电流。这种将功率MOSFET“接通”和“断开”的能力使该器件可以用作非常有效的开关，其开关速度比标准双极结晶体管快得多。

使用MOSFET作为一个开关

在这个电路配置中，增强型N沟道MOSFET用于将一个简单的灯“开”和“关” “（也可以是LED）。

栅极输入电压 V GS 被置于适当的正电压电平以转动器件，因此灯负载“ON”，（ V GS = + ve ）或零电压电平将器件“关闭”，（ V GS = 0V ）。

如果灯的电阻负载要用线圈，电磁阀或继电器等感性负载代替，那么“续流二极管”会需要与负载并联以保护MOSFET免受任何自发生的反电动势的影响。

上图显示了一个非常简单的电路用于切换诸如灯或LED的电阻性负载。但是，当使用功率MOSFET来切换电感或电容负载时，需要某种形式的保护来防止MOSFET器件损坏。驱动电感负载与驱动容性负载的效果相反。

例如，没有电荷的电容器是短路的，导致电流的高“涌入”，当我们从感性负载中移除电压时，随着磁场的坍塌，我们会产生大的反向电压，在电感器的绕组中产生感应的反电动势。

然后我们可以总结下表中N沟道和P沟道型MOSFET的开关特性。

MOSFET类型	V GS «0	V GS = 0	V GS »0
N通道增强	OFF	OFF	ON
N通道耗尽	OFF	ON	ON
P通道增强	ON	OFF	OFF
P通道耗尽	ON	ON	OFF

请注意，与t不同他的N沟道MOSFET的栅极端子必须比源极更正（吸引电子）以允许电流流过沟道，通过P沟道MOSFET的传导是由于空穴的流动。也就是说，P沟道MOSFET的栅极端子必须比源极更负，并且只会停止导通（截止）直到栅极比源极更正。

所以对于增强类型功率MOSFET作为模拟开关器件工作，需要在其“截止区域”之间切换，其中： V GS = 0V （或 V GS = - ve ）及其“饱和区域”，其中： V GS（on） = + ve 。 MOSFET中消耗的功率（ P D ）取决于饱和时流过 I D 的电流以及 R DS（on） 给出的通道的“导通电阻”。例如。

MOSFET作为开关示例No1

让我们假设灯的额定电压为6v，24W且完全“接通”，标准MOSFET具有通道导通电阻（ R DS（on） ）0.1ohms的值。计算MOSFET开关器件的功耗。

流过灯的电流计算如下：

然后MOSFET中消耗的功率将给出：

你可能会坐在那里思考，那么是什么！，但当使用MOSFET作为开关来控制直流电机或具有高浪涌电流的电气负载时，“ON “漏极和源极之间的沟道电阻（ R DS（on） ）非常重要。例如，控制直流电机的MOSFET在电机首次开始旋转时会受到高冲击电流，因为电机启动电流仅受电机绕组电阻值非常低的限制。

由于基本幂关系是： P = I 2 R ，然后是高 R DS（on） 沟道电阻值只会导致大量功率耗散并浪费在MOSFET内部，从而导致温度过高，如果不加以控制，可能会导致MOSFET因热过载而变得非常热和损坏。

通道电阻的较低 R DS（on） 值也是一个理想的参数，因为它有助于降低通道有效饱和电压（ V跨越MOSFET的 DS（sat） = I D * R DS（on） ）因此将在较冷的温度下运行。功率MOSFET通常具有小于0.01Ω的 R DS（on） 值，这允许它们运行更冷，延长其工作寿命。

使用MOSFET作为开关器件时的主要限制之一是它可以处理的最大漏极电流。因此 R DS（on） 参数是MOSFET开关效率的重要指南，简单地以 V DS <的比率给出/ sub> / I D 当晶体管切换为“ON”时。

当使用MOSFET或任何类型的场效应晶体管作为固体时 - 状态切换设备始终建议选择具有非常低的 R DS（on） 值的设备，或者至少将它们安装到合适的散热器上以帮助减少热量失控和损坏。用作开关的功率MOSFET通常在其设计中内置浪涌电流保护，但对于大电流应用，双极结晶体管是更好的选择。

功率MOSFET电机控制

由于MOSFET具有极高的输入或栅极电阻，其非常快的开关速度和易于驱动的特性使其成为与运算放大器或标准逻辑门接口的理想选择。但是，必须注意确保正确选择栅极 - 源极输入电压，因为当使用MOSFET作为开关时，器件必须获得低 R DS（on） 与此输入栅极电压成比例的沟道电阻。

低阈值型功率MOSFET在其栅极上施加至少3V或4V之后可能无法切换为“ON”，如果逻辑门的输出仅为+ 5V逻辑，可能不足以完全驱动MOSFET进入饱和状态。使用低阈值MOSFET设计用于连接阈值低至1.5V至2.0V的TTL和CMOS逻辑门。

功率MOSFET可用于控制直流电机或无刷步进电机的运动直接来自计算机逻辑或使用脉冲宽度调制（PWM）型控制器。由于直流电机提供高启动转矩并且也与电枢电流成比例，因此MOSFET开关和PWM可用作非常好的速度控制器，可提供平稳和安静的电机运行。

简单功率MOSFET电机控制器

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由于电机负载是电感性的，因此在感性负载两端连接一个简单的续流二极管当MOSFET将其“关闭”时，消除电机产生的任何反电动势。由齐纳二极管与二极管串联形成的钳位网络也可用于更快的切换和更好地控制峰值反向电压和退出时间。

为了增加安全性，当使用电感负载（如电机，继电器）时，还可以在MOSFET开关的沟道上放置额外的硅或齐纳二极管 D 1 电磁阀等，用于抑制过压开关瞬态和噪声，如果需要，可为MOSFET开关提供额外保护。电阻 R GS 用作下拉电阻，当MOSFET切换为“OFF”时，有助于将TTL输出电压降至0V。

P沟道MOSFET开关

到目前为止，我们已经看到N沟道MOSFET作为开关，MOSFET放置在负载和地之间。这也允许MOSFET的栅极驱动或开关信号以地为参考（低侧开关）。

P沟道 - MOSFET开关

但在某些应用中，我们需要使用P沟道增强型MOSFET，负载直接连接到地。在这种情况下，MOSFET开关连接在负载和正电源轨之间（高侧开关），就像我们使用PNP晶体管一样。

在P沟道器件中，传统的漏极电流流入负方向，因此施加负栅极 - 源极电压以将晶体管“导通”。

这是因为P沟道MOSFET“颠倒”，其源极端子连接到正电源<跨度> + V <子> DD 。然后当开关变为低电平时，MOSFET变为“ON”，当开关变为高电平时，MOSFET变为“OFF”。

这种P沟道增强型MOSFET开关的倒置连接使我们能够连接它与N沟道增强型MOSFET串联，产生互补或CMOS开关器件，如双电源所示。

互补MOSFET电机控制器

两个MOSFET配置为从双电源产生双向开关，电机连接在公共漏极连接和接地参考之间。当输入为低电平时，P沟道MOSFET导通，因为其栅 - 源结被负偏压，因此电机在一个方向上旋转。只有正 + V DD 电源轨用于驱动电机。

当输入为高电平时，P通道设备关闭并且N沟道器件在其栅极 - 源极结正偏置时导通。电机现在以相反的方向旋转，因为电机端子电压已反转，因为它现在由负 -V DD 电源轨提供。

然后，P沟道MOSFET用于将正电源切换到电机正向（高侧开关），而N沟道MOSFET用于将负电源切换到电机反向（低侧开关）用于驱动具有许多不同应用的两个MOSFET的配置有多种配置。

如图所示，P沟道和N沟道器件均可由单个栅极驱动IC驱动。

但是，为了避免两个MOSFET的交叉导通同时导通两个极性双电源，快速开关器件需要在它们之间转动“OFF”和另一个转向“ON”之间提供一些时间差。克服该问题的一种方法是分别驱动两个MOSFETS栅极。然后，当两个MOSFET均为“OFF”时，这将为电机产生第三个“STOP”选项。

互补MOSFET电机控制表

MOSFET 1	MOSFET 2	电机功能
OFF	OFF	电机停止（OFF）
ON	OFF	电机向前旋转
OFF	ON	电机反转
ON	ON	不允许

请注意，重要的是不允许同时允许其他输入组合，因为这可能会导致电源供应由于两个MOSFET， FET 1 和 FET 2 可以一起切换为“ON”，从而导致短路在：（fuse = bang！），请注意。