嵌入式分享合集61

一、MOS管相关

  大部分的教材都会告诉你长长的一段话：

    MOS管全称金属氧化半导体场效应晶体管，英文名Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，属于绝缘栅极场效晶体管，以硅片为秤体，利用扩散工艺制作.......有N沟道和P沟道两个型。不仅如此，它还有两个兄弟，分别是结型场效应管以及晶体场效应管.......

    面对这么大一段话，我不知道你有没有搞明白MOS管，反正我大学里是完全没有搞明白，最后学了个寂寞。

    本文丢开教科书这块裹脚布，从应用层面出发来给大家介绍一下MOS管里面最常见也是最容易使用的一种：增强型NMOS管，简称NMOS。当你熟悉了这个NMOS的使用之后呢，再回过头去看这个教材上的内容，我相信就会有不同的体会了。

NMOS的用法

    首先来看这么一张简单的图，如下，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。

    那如果我们想要用Arduino或者单片机去控制这个灯泡的话呢，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，就像如下图这样子。

    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。只要记住他们分别简称g、d、s就可以，如下图。

    我们把单片机的一个IO口接到这个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。

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vgsth，第三个是Rdson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，如下图。

    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两端的电压差，电阻指的是d、s之间的电阻。这个电阻的大小呢，它会随着g、s电压的变化而产生变化。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。Rds与Vgs关系图，如下。

    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vgsth，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，如下。

    显然vgsth一定要小于这个高电平的电压值，否则的话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vgsth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Rdson。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Rdson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。

    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Rdson是成反比的关系。Rdson越小，Cgs就越大。所以大家要注意平衡他们之间的关系。

这里在将一下基础

1 三个极的判定

• G极(gate)—栅极，不用说比较好认 

• S极(source)—源极，不论是P沟道还是N沟道，两根线相交的就是 

• D极(drain)—漏极，不论是P沟道还是N沟道，是单独引线的那边

2 N沟道与P沟道判别

箭头指向G极的是N沟道

箭头背向G极的是P沟道

3 寄生二极管方向判定

     不论N沟道还是P沟道MOS管，中间衬底箭头方向和寄生二极管的箭头方向总是一致的： 要么都由S指向D，要么都有D指向S

4 MOS开关实现的功能

• 信号切换 

• 电压通断

5 MOS管用作开关时在电路中的连接方法

    关键点: 

• 确定那一极连接输入端，那一极连接输出端 

• 控制极电平为？V 时MOS管导通 

• 控制极电平为？V 时MOS管截止 

    NMOS：

    D极接输入，S极接输出。
    PMOS：

    S极接输入，D极接输出。

反证法加强理解 

    NMOS假如：

    S接输入，D接输出。

    由于寄生二极管直接导通，因此S极电压可以无条件到D极，MOS管就失去了开关的作用。 

    PMOS假如：

    D接输入，S接输出。 

    同样失去了开关的作用。

6 MOS管的开关条件

N沟道

    导通时，Ug> Us，Ugs> Ugs(th)时导通。 
P沟道

    导通时，Ug< Us,Ugs< Ugs(th)时导通。 
总之，导通条件：|Ugs|>|Ugs(th)|

7 相关概念

BJT：
    Bipolar Junction Transistor 双极性晶体管，BJT是电流控制器件。

FET：
    Field Effect Transistor 场效应晶体管，FET是电压控制器件。
    按结构场效应管分为：结型场效应（简称JFET）、绝缘栅场效应（简称MOSFET）。

两大类：

    按沟道材料：结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种。
    按导电方式：耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。 

    总的来说场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管，而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。

8 MOS管重要参数

• 封装 

• 类型（NMOS、PMOS） 

• 耐压Vds（器件在断开状态下漏极和源极所能承受的最大的电压） 

• 饱和电流Id 

• 导通阻抗Rds 

• 栅极阈值电压Vgs(th)

9 从MOS管实物识别管脚

 

    无论是NMOS还是PMOS ，按上图方向摆正，中间的一脚为D，左边为G，右边为S。

    或者这么记：单独的一脚为D，逆时针转DGS。 

    这里顺便提一下三极管的管脚识别：同样按照上图方向摆正，中间一脚为C，左边为B，右边为E。

    管脚编号：

    从G脚开始，逆时针123。 

    三极管的管脚编号同样从B脚开始，逆时针123。

10 用万用表辨别NNOS、PMOS

借助寄生二极管来辨别。将万用表档位拨至二极管档，红表笔接S,黑表笔接D，有数值显示，反过来接无数值，说明是N沟道，若情况相反是P沟道。

11 画一个MOS管

##然后又是MOS管的检测与代换

在修理电视机及电器设备时，会遇到各种元器件的损坏，MOS管也在其中，这就是我们的维修人员如何利用常用的万用表来判断MOS管的好坏、优劣。在更换MOS管是如果没有相同厂家及相同型号时，如何代换的问题。

MOS管的测试

    作为一般的电器电视机维修人员在测量晶体三极管或二极管时，一般是采用普通的万用表来判断三极管或者二极管的好坏，虽然对所判断的三极管或二极管的电气参数没法确认，但是只要方法正确对于确认晶体三极管的“好”与“坏”还是没有问题的。同样MOS管也可以应用万用表来判断其“好”与“坏”,从一般的维修来说，也可以满足需求了。

    检测必须采用指针式万用表（数字表是不适宜测量半导体器件的）。对于功率型MOSFET开关管都属N沟道增强型，各生产厂的产品也几乎都采用相同的TO-220F封装形式（指用于开关电源中功率为50—200W的场效应开关管），其三个电极排列也一致，即将三只引脚向下，打印型号面向自巳，左侧引脚为栅极，右测引脚为源极，中间引脚为漏极如图5-1所示。

图5-1

1）万用表及相关的准备：
    首先在测量前应该会使用万用表，特别是欧姆档的应用，要了解欧姆挡才会正确应用欧姆挡来测量晶体三极管及MOS管（现在很多的从事修理人员，不会使用万用表，特别是万用表的欧姆挡，这绝不是危言耸听，问问他？他知道欧姆挡的R×1 R×10 R×100 R×1K R×10K，在表笔短路时，流过表笔的电流分别有多大吗？这个电流就是流过被测元件的电流。他知道欧姆挡在表笔开路时表笔两端的电压有多大吗？这就是在测量时被测元件在测量时所承受的电压）关于正确使用万用表欧姆挡的问题，可以参阅可以参阅“您会用万用表的欧姆挡测量二极管、三极管吗？”“可以参阅本博客“您会用万用表的欧姆挡测量二极管、三极管吗？”一文，因篇幅问题这里不再赘述。

    用万用表的欧姆挡的欧姆中心刻度不能太大，最好小于12Ω（500型表为12Ω），这样在R×1挡可以有较大的电流，对于PN结的正向特性判断比较准确。万用表R×10K挡内部的电池最好大于9V，这样在测量PN结反相漏电流时比较准确，否则漏电也测不出来。

图5-2

    现在由于生产工艺的进步，出厂的筛选、检测都很严格，我们一般判断只要判断MOS管不漏电、不击穿短路、内部不断路、能放大就可以了，方法极为简单：
采用万用表的R×10K挡；R×10K挡内部的电池一般是9V加1.5V达到10.5V这个电压一般判断PN结点反相漏电是够了，万用表的红表笔是负电位（接内部电池的负极），万用表的黑表笔是正电位（接内部电池的正极），图5-2所示。

2）测试步骤
    把红表笔接到MOS管的源极S；把黑表笔接到MOS管的漏极D，此时表针指示应该为无穷大，如图5-3所示。如果有欧姆指数，说明被测管有漏电现象，此管不能用。

图5-3

    保持上述状态；此时用一只100K～200K电阻连接于栅极和漏极，如图5-4所示；这时表针指示欧姆数应该越小越好，一般能指示到0欧姆，这时是正电荷通过100K电阻对MOS管的栅极充电，产生栅极电场，由于电场产生导致导电沟道致使漏极和源极导通，所以万用表指针偏转，偏转的角度大（欧姆指数小）证明放电性能好。

图5-4

 

    此时在图5-4的状态；再把连接的电阻移开，这时万用表的指针仍然应该是MOS管导通的指数不变，如图5-5所示。虽然电阻拿开，但是因为电阻对栅极所充的电荷并没有消失，栅极电场继续维持，内部导电沟道仍然保持，这就是绝缘栅型MOS管的特点。如果电阻拿开表针会慢慢的逐步的退回到高阻甚至退回到无穷大，要考虑该被测管栅极漏电。

  图5-5

    这时用一根导线，连接被测管的栅极和源极，万用表的指针立即返回到无穷大，如图5-6所示。导线的连接使被测MOS管，栅极电荷释放，内部电场消失；导电沟道也消失，所以漏极和源极之间电阻又变成无穷大。

 
图5-6

 

MOS管的更换

    在修理电视机及各种电器设备时，遇到元器件损坏应该采用相同型号的元件进行更换。但是，有时相同的元件手边没有，就要采用其他型号的进行代换，这样就要考虑到各方面的性能、参数、外形尺寸等，例如电视的里面的行输出管，只要考虑耐压、电流、功率一般是可以进行代换的（行输出管外观尺寸几乎相同），而且功率往往大一些更好。对于MOS管代换虽然也是这一原则，最好是原型号的最好，特别是不要追求功率要大一些，因为功率大；输入电容就大，换了后和激励电路就不匹配了，激励灌流电路的充电限流电阻的阻值的大小和MOS管的输入电容是有关系的，选用功率大的尽管容量大了，但输入电容也就大了，激励电路的配合就不好了，这反而会使MOS管的开、关性能变坏。所示代换不同型号的MOS管，要考虑到其输入电容这一参数。例如有一款42寸液晶电视的背光高压板损坏，经过检查是内部的大功率MOS管损坏，因为无原型号的代换，就选用了一个，电压、电流、功率均不小于原来的MOS管替换，结果是背光管出现连续的闪烁（启动困难），最后还是换上原来一样型号的才解决问题。
    检测到MOS管损坏后，更换时其周边的灌流电路的元件也必须全部更换，因为该MOS管的损坏也可能是灌流电路元件的欠佳引起MOS管损坏。即便是MOS管本身原因损坏，在MOS管击穿的瞬间，灌流电路元件也受到伤害，也应该更换。就像我们有很多高明的维修师傅在修理A3开关电源时；只要发现开关管击穿，就也把前面的2SC3807激励管一起更换一样道理（尽管2SC3807管，用万用表测量是好的）。

 

二、灌电流与拉电流的区别介绍

灌电流

    当逻辑门输出端是低电平时，灌入逻辑门的电流称为灌电流，灌电流越大，输出端的低电平就越高。由三极管输出特性曲线也可以看出，灌电流越大，饱和压降越大，低电平越大。

    然而，逻辑门的低电平是有一定限制的，它有一个最大值UOLMAX。在逻辑门工作时，不允许超过这个数值，TTL逻辑门的规范规定UOLMAX ≤0.4～0.5V。所以，灌电流有一个上限。

拉电流　　

    当逻辑门输出端是高电平时，逻辑门输出端的电流是从逻辑门中流出，这个电流称为拉电流。拉电流越大，输出端的高电平就越低。这是因为输出级三极管是有内阻的，内阻上的电压降会使输出电压下降。拉电流越大，输出端的高电平越低。

    然而，逻辑门的高电平是有一定限制的，它有一个最小值UOHMIN。在逻辑门工作时，不允许超过这个数值，TTL逻辑门的规范规定UOHMIN ≥2.4V。所以，拉电流也有一个上限。

扇出系数

    可见，输出端的拉电流和灌电流都有一个上限，否则高电平输出时，拉电流会使输出电平低于UOHMIN；低电平输出时，灌电流会使输出电平高于UOLMAX。所以，拉电流与灌电流反映了输出驱动能力。

    芯片的拉、灌电流参数值越大，意味着该芯片可以接更多的负载，因为，例如灌电流是负载给的，负载越多，被灌入的电流越大。

    由于高电平输入电流很小，在微安级，一般可以不必考虑，低电平电流较大，在毫安级。所以，往往低电平的灌电流不超标就不会有问题。用扇出系数来说明逻辑门来驱动同类门的能力，扇出系数No是低电平最大输出电流和低电平最大输入电流的比值。

    在集成电路中， 吸电流、拉电流输出和灌电流输出是一个很重要的概念。

    拉即泄，主动输出电流，是从输出口输出电流。

    灌即充，被动输入电流，是从输出端口流入。

    吸则是主动吸入电流，是从输入端口流入。

    吸电流和灌电流就是从芯片外电路通过引脚流入芯片内的电流，区别在于吸收电流是主动的，从芯片输入端流入的叫吸收电流。灌入电流是被动的，从输出端流入的叫灌入电流。

    拉电流是数字电路输出高电平给负载提供的输出电流，灌电流时输出低电平是外部给数字电路的输入电流，它们实际就是输入、输出电流能力。

    吸收电流是对输入端（输入端吸入）而言的；而拉电流（输出端流出）和灌电流（输出端被灌入）是相对输出端而言的。

    下图给出了一个直观解释：

    图中PB0输出低电平上LED会亮，此时电流方向是流向PB0，也就是灌电流。

    而PB1输出高电平下LED会亮，此时电流方向是从PB1流出，也就是拉电流。

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