MOS结构以及驱动技术1 1 MOSMOS场效应管基本知识场效应管基本知识2 2 基本数学方程基本数学方程3 3 LCLC暂态过程暂态过程4 4 MOS MOS数学模型数学模型N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对一、一、MOSMOS场效应管基本知识场效应管基本知识 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对P型半导体型半导体MOS场效应管 BJT是是一一种种电电流流控控制制元元件件(iB iC)，工工作作时时，多多数数载载流流子子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道FET分类：分类： 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管 场场效效应应管管（Field Effect Transistor简简称称FET）是是一一种种电电压压控控制制器器件件(uGS iD) ，工工作作时时，只只有有一一种种载载流流子子参参与与导导电电，因因此此它它是是单极型器件。单极型器件。 FET因因其其制制造造工工艺艺简简单单，功功耗耗小小，温温度度特特性性好好，输输入入电电阻阻极极高等优点，得到了广泛应用。高等优点，得到了广泛应用。绝缘栅场效应三极管 金属氧化物半导体金属氧化物半导体场效应管场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，简称，简称MOSFET。分为：分为： 增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道 1.1.N沟道增强型沟道增强型MOS管管 （1 1）结构结构 4个电极：漏极个电极：漏极D，源极源极S，栅极，栅极G和和 衬底衬底B。符号：符号： 当当uGS0V时时纵向电场纵向电场将靠近栅极下方的空穴向将靠近栅极下方的空穴向下排斥下排斥耗尽层。耗尽层。（2 2）工作原理）工作原理 当当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。 再增加再增加uGS纵向电场纵向电场将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区表面区表面形成导电沟道，形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流就可以形成漏极电流id。栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用 2.N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET特点：特点： 当当uGS=0时，就有沟道，时，就有沟道，加入加入uDS，就有就有iD。 当当uGS0时，沟道增宽，时，沟道增宽，iD进一步增加。进一步增加。 当当uGS0时，沟道变窄，时，沟道变窄，iD减小。减小。 在栅极下方的在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。 定义：定义： 夹断电压（夹断电压（ UP）沟道刚刚消失所需的栅源电压沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。3 3 . .场效应管的主要参数场效应管的主要参数(1)(1) 开启电压开启电压UT UT 是是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不场效应管不能导通。能导通。 （2）夹断电压）夹断电压UP UP 是是MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET的参数，当的参数，当uGS=UP时时,漏极电流为零。漏极电流为零。 （3）饱和漏极电流）饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET, 当当uGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。 （4）输入电阻）输入电阻RGS 结型场效应管，结型场效应管，RGS大于大于107，MOS场效应管场效应管, RGS可达可达1091015。（5） 低频跨导低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子毫西门子)。（6） 最大漏极功耗最大漏极功耗PDM PDM= UDS ID，与双极型三极管的，与双极型三极管的PCM相当。相当。等效电路OFF ，截止状态 ON，导通状态小信号模型分析法小信号模型分析法 在开关电源设计中，用高频模型分析二、基本数学方程二、基本数学方程很伟大的一个公式！基本的高数公式，一阶其次方程求解。带入初始条件，确定K值。二阶电路中有二个动态元件二阶电路中有二个动态元件, ,描述电路的方程是二阶线性描述电路的方程是二阶线性微分方程。微分方程。一般一般LCLC电路就可以使用该方程求解。电路就可以使用该方程求解。电路中有多个动态元件，描述电路的方程是高阶微分方电路中有多个动态元件，描述电路的方程是高阶微分方程。程。三、三、R R、L L、C C暂态过程暂态过程1.1.RC电路的零输入响应电路的零输入响应iS(t=0)+uRC+uCR已知已知 uC (0)=U0 uR= Ri2 2. .RC电路的零状态响应电路的零状态响应iS(t=0)US+uRC+uCRuC (0)=0+解答形式为：解答形式为：特解（强制分量）特解（强制分量）的特解的特解通解（暂态分量）通解（暂态分量）的通解的通解3 3. . RL电路的零输入响应电路的零输入响应iLS(t=0)USL+uLRR1+-基本关系基本关系4 4. . RL电路的零状态响应电路的零状态响应iLS(t=0)US+uRL+uLR+三要素法分析一阶电路三要素法分析一阶电路5 5. . 二阶电路的响应二阶电路的响应零输入响应：初始状态电容上有电压，零输入响应：初始状态电容上有电压，放电过程。放电过程。零状态响应：初始状态电容上无电压，零状态响应：初始状态电容上无电压，充电过程。充电过程。初始：uC(0+)=U0 i(0+)=0以电容电压为变量：以电容电压为变量：电路方程：电路方程：以电感电流为变量：以电感电流为变量：RLC+-iuc特征方程：特征方程：零输入响应：初始状态电容上有电压，放电过程。零输入响应：初始状态电容上有电压，放电过程。零状态响应的三种情况零状态响应的三种情况过阻尼过阻尼临界阻尼临界阻尼欠阻尼欠阻尼特征根：特征根：U0uctm2tmuLicuc 的解答形式：的解答形式：经常写为：经常写为：共轭复根共轭复根0，的的关系关系t-2- 20U0uC iC零状态响应：初始状态电容上无电压，充电过程。零状态响应：初始状态电容上无电压，充电过程。uC(0)=0 , iL(0)=0微分方程为：微分方程为：通解通解特解特解特解特解: : 特征方程为特征方程为:RLC+-uCiLUS (t)+-tuCUS0四、四、MOSMOS数学模型数学模型MOSMOS等效驱动电路等效驱动电路模型模型：相当于一个二阶响应电路。相当于一个二阶响应电路。L L为为PCB走线电感，根据他人经验其值为直走线走线电感，根据他人经验其值为直走线1nH/mm，考虑其他走线因素，取，考虑其他走线因素，取L=Length+10（nH），其中），其中Length单位取单位取mm。RgRg为栅极驱动电阻，设驱动信号为为栅极驱动电阻，设驱动信号为12V峰值的方波。峰值的方波。CgsCgs为为MOSFET栅源极电容，不同的管子及不同的驱动栅源极电容，不同的管子及不同的驱动电压时会不一样，这儿取电压时会不一样，这儿取1nF。VL+VRg+VCgs=12VVL+VRg+VCgs=12V令驱动电流令驱动电流得到关于得到关于Cgs上的驱动电压微分方程：上的驱动电压微分方程：拉普拉斯变换得到变换函数拉普拉斯变换得到变换函数不同实根时是个过阻尼震荡，有两个相同实根时是临界阻尼震荡，当有虚根时不同实根时是个过阻尼震荡，有两个相同实根时是临界阻尼震荡，当有虚根时是欠阻尼震荡，此时会在是欠阻尼震荡，此时会在MOSFET栅极产生上下震荡的波形，这是我们不希望看栅极产生上下震荡的波形，这是我们不希望看到的，因此栅极电阻到的，因此栅极电阻Rg阻值的选择要使其工作在临界阻尼和过阻尼状态，考虑到阻值的选择要使其工作在临界阻尼和过阻尼状态，考虑到参数误差实际上都是工作在过阻尼状态。参数误差实际上都是工作在过阻尼状态。动态工作的时候动态工作的时候MOSMOS等效驱动电等效驱动电路路模型模型：依然可以用依然可以用二阶响应二阶响应电路来分析。电路来分析。（1 1）L LG G和和L LG G代表封装端到实际的代表封装端到实际的栅极线路的电感和电阻。栅极线路的电感和电阻。 （2 2）C C1 1代表从栅极到源端代表从栅极到源端N+N+间的间的电容，它的值是由结构所固定的。电容，它的值是由结构所固定的。 （3 3）C2+C4C2+C4代表从栅极到源极代表从栅极到源极P P区区间的电容。间的电容。C C2 2是电介质电容，共值是电介质电容，共值是固定的。而是固定的。而C4C4是由源极到漏极是由源极到漏极的耗尽区的大小决定，并随栅极的耗尽区的大小决定，并随栅极电压的大小而改变。当栅极电压电压的大小而改变。当栅极电压从从0 0升到开启电压升到开启电压U UGSGS（thth）时，时，C C4 4使使整个栅源电容增加整个栅源电容增加10%10%15%15%。 （4 4）C C3 3+C+C5 5是由一个固定大是由一个固定大小的电介质电容和一个可变小的电介质电容和一个可变电容构成，当漏极电压改变电容构成，当漏极电压改变极性时，其可变电容值变得极性时，其可变电容值变得相当大。相当大。 （5 5）C C6 6是随漏极电压变换的是随漏极电压变换的漏源电容。漏源电容。 栅极极电荷荷QG是使是使栅极极电压从从0升到升到10V所需的栅极电荷，它可以表示所需的栅极电荷，它可以表示为驱动电流值与开通时间之积或栅极电容值与栅极电压之积。现在大部为驱动电流值与开通时间之积或栅极电容值与栅极电压之积。现在大部分分MOS管的栅极电荷管的栅极电荷QG值从几十从几十纳库仑到一、两百到一、两百纳库仑。 栅极电荷栅极电荷QG包含了两个部分：包含了两个部分：栅极到源极极到源极电荷荷QGS；栅极到漏极极到漏极电荷荷QGD即即“Miller”电荷。电荷。QGS是使是使栅极极电压从从0升到门限值（约升到门限值（约3V）所）所需电荷；需电荷；QGD是漏极是漏极电压下降下降时克服克服“Miller”效应所需电荷，这存在于效应所需电荷，这存在于UGS曲曲线比比较平坦的第二段平坦的第二段，此时栅极电压不变、栅极电荷积聚而漏极电，此时栅极电压不变、栅极电荷积聚而漏极电压急聚下降，也就是在这时候需要驱动尖峰电流限。实际的压急聚下降，也就是在这时候需要驱动尖峰电流限。实际的QG还可以略可以略大，以减小等效大，以减小等效RON，但是太大也无益，所以，但是太大也无益，所以10V到到12V的驱动电压是比的驱动电压是比较合理的。较合理的。 在尾部在尾部需要一个高的尖峰电流以减小需要一个高的尖峰电流以减小MOS管损耗和转换时间。管损耗和转换时间。栅极极电荷荷QG和和驱动效果的关系效果的关系栅极尖峰极尖峰电流流Id的的计算：算：电荷必荷必须完全完全满足开关足开关时期的寄生期的寄生电容所需容所需。实际实际栅极极平均平均电流流IP的的计算算其中C是MOS驱动等效电容u是驱动电压t是驱动电压上升时间综合前面分析：综合前面分析：可以看到当可以看到当Rg比较小时驱动电压上冲会比较高，震比较小时驱动电压上冲会比较高，震荡比较多，荡比较多，L越大越明显，此时会对越大越明显，此时会对MOSFET及其他器件性能产生影响。及其他器件性能产生影响。但是阻值过大时驱动波形上升比较慢，当但是阻值过大时驱动波形上升比较慢，当MOSFET有较大电流通过时有较大电流通过时会有不利影响。会有不利影响。当当L L比较小时，驱动电流的峰值比较大，而一般比较小时，驱动电流的峰值比较大，而一般ICIC的驱动电流输出能的驱动电流输出能力都是有一定限制的，当实际驱动电流达到力都是有一定限制的，当实际驱动电流达到ICIC输出的最大值时，此时输出的最大值时，此时ICIC输出相当于一个恒流源，对输出相当于一个恒流源，对CgsCgs线性充电，驱动电压波形的上升率会线性充电，驱动电压波形的上升率会变慢。此时由于电流不变，电感不起作用。这样可能会对变慢。此时由于电流不变，电感不起作用。这样可能会对ICIC的可靠性产的可靠性产生影响，电压波形上升段可能会产生一个小的台阶或毛刺。生影响，电压波形上升段可能会产生一个小的台阶或毛刺。在选择驱动芯片的时候，需要计算驱动的电流、电压，以及内阻。特别是用图腾柱来作为MOS的推导级的时候，还需要考虑导通的时候电源内阻，三极管导通内阻，会不会在瞬间MOS电流充电的时候发生压降。总之在MOS驱动设计的时候需要全面进行考虑，Rg的选择也要的选择也要寻求一个平衡点。寻求一个平衡点。