半导体器件基础09：MOS管特性和应用（3）

说在开头：关于德布罗意的电子波（2）

好，德布罗意已经成功的将一个电子变成了一个波。他说：电子其实本身就是一个波！纳尼？德布罗意将相波的证明作为他的博士论文提交了上去，但是在博士答辩中，所有人都异口同声的说：“证据在哪里？如果电子是一个波，那么就让我们看看它作为波的衍射和干涉图文。”当时德布罗意并没有说服所有的评委，虽然他凭借出色的答辩最终获得了博士学位。但人们更倾向于认为相波只是一个方便计算的理论假设，但是爱因斯坦却非常支持这个理论，称德布罗意“揭开了大幕的一角”。整个物理学界在听到爱因斯坦的评论后都大吃一惊，开始全面关注德布罗意的工作。德布罗意是有史以来第一个仅凭借博士论文就直接获取诺贝尔奖的人。

德布罗意关于相波的预言，很快就被戴维逊和革末在美国证实了，1925年，戴维逊和他的助手革末在贝尔实验室（这是一个神奇的实验室）进行了一个实验：用电子束轰击一块金属镍。这个实验要求金属表面绝对纯净，所以他们将金属放在一个真空的容器里，确保没有杂质混入；然而2月5日突发意外，这个真空容器因为某种原因发生了爆炸，空气迅速地了氧化了镍的表面。戴维逊和革末虽然非常懊恼，但是决定进行修补，重新净化金属表面；在当时最好的办法就是对镍进行高温加热，然而金属在高温下发生了变化：原本它是由许许多多块晶体组成，而在加热后整块镍融合成了几块大晶体，虽然表面看来没有发生变化，但内部已经发生的变化足以改变物理学的历史。折腾好了后，终于可以继续实验了，结果在实验进行半路，实验曲线突然发生了剧烈的改变，两人吓了一大跳，百撕不得其姐，于是一直拖了一年多都没有进展。终于戴维逊决定跟夫人去英国度“第二次蜜月”散散心。当时正好很多科学家在牛津开会，戴维斯顺便和他的大舅子（他的老师：理查德森）去凑热闹，会议由玻恩主持，他提到了戴维逊早年的一个类似实验，认为可以用德布罗意波来解释。德布罗意波？这是啥玩意，戴维逊第一次听说这货。他远在美国AT&T专心搞实验，还没听过欧洲发生的革命新闻。不过他立刻想到了自己最近获得的那些奇怪数据，于是把它们拿出来供大家讨论，那几位著名的科学家进行了激烈的讨论，并认为这很可能是德布罗意所预言过的电子衍射！戴维逊又惊又喜，到了1927年，他就和革末通过实验精确地证明了电子的波动性：被镍块散射的电子，其行为和x射线衍射一模一样！

戴维逊和汤姆逊共通获得了1937年的诺贝尔物理学奖。这个汤姆逊是G.P.汤姆逊，是J.J.汤姆逊的儿子；老子因发现电子获得诺奖，而儿子证明电子是波而获奖。（参考自：曹天元-上帝掷骰子吗）

三，MOS管应用-电源缓启动

讲MOS管却不说电源缓启动电路，总会感觉少了点什么。不过我们首先需要明确两个问题：1，为什么需要电源启动？2，电源缓启动能做什么？

1，为什么需要电源缓启动

如下图所示，设备电源在没有缓启动情况下，热插拔过程中出现的现象现象；电源热插拔瞬间：1，连接器的机械触点在接触瞬间会出现弹跳，引起电源振荡；2，由于系统大容量储能电容的充电效应，系统中会出现很大的冲击电流。热插拔带来的电压波动和电流冲击的异常情况，会对后端器件带来损伤。

所以，电源缓启动涉及到了两部分功能：1，防抖设计：滤除电源插座插入过程中的前几十毫秒时间不稳定时间电源；2，控制电源电压上升斜率，限制电源最大冲击电流。

2，电源缓启动电路结构

如下图所示为分立器件搭建的-48V电源缓启动电路，相信很多人都非常熟悉，当然也有5V/12V搭建的分立缓启动电路，两者电路设计工作原理相同，不同的是：-48V缓启动使用增强型NMOS，而+12V/5V缓启动需使用增强型PMOS（若无外部升压控制电路）。接下来我们就以-48V电源缓启动为例，来分析缓启动电路的结构，工作原理及开启过程。

组成缓启动电路必要的器件，说明如下：

1. D1（TVS管）：防止输入电压过大损坏后级电路；

——用于电源电路的浪涌防护，MOS管导通前若VDS过大会造成损坏。

2. R2/R1和C1：实现防抖动延时功能，R1给C1提供快速放电通道；R1/R2分压值大于D3的稳压值；R2选20K欧姆，R1选10K，C1选4.7uF左右（具体根据滤波时长要求）；

——RC充电电路，充电时长计算是：R1和R2的并联对C1的充电；

3. R3和C2：控制电源电压上升斜率；R3选200K欧姆，C2取值为10 nF~100nF（具体根据斜率要求）；

——R3与C2之间其实还串了R5，但是R5相比R3小了太多，所以不考虑。

4. R4和R5：防止MOS管自激振荡；R4选10～50欧姆，R5选2K欧姆；

5. D3（稳压二极管）：保护MOS管Q1的栅-源极不被高压击穿；

——保证VGS电压的稳定，减小输入电源波动所影响。

6. D2（肖特基二极管）：隔离防抖动延时电路和上电斜率控制电路，防止上电斜率控制过程受C1的影响。

3，电源缓启动工作原理

我们将缓启动电路中几个关键的位置标注出来，分别是：a，b（防抖电路）和c，d（电压缓起电路），如下图所示。

接下来我们将电源上电分为4个缓起阶段，来分解缓启动电路的功能：

1. 防抖动电路作用阶段：-48V上电，Va电压跟随-48V电源输入快速下降：

1, 防抖动延时部分电路工作状态：Vb电压从开始跟随输入电压瞬间降至-48V，然后缓慢上升，对C1两端电压充电：R1/R2与C1的RC时间计算；

2, 此时Vc电压也瞬间被Vb拉低D2导通，Vc电压稍高于Vb（二极管导通电压，ex：0.4V），而VGS=Vc-Va，其随R1/R2对C1的充电而增大，此时Q1处于截止状态；

3, 由于Q1处于截止状态，那么Vd=0V，初始状态的Vcd电压为-47.6V，C2通过R5瞬间充满电，所以C2的初始电压也为-47.6V，然后随着c点电压Vc的升高而缓慢放电；

4, D2右侧的斜率控制部分电路工作状态：通过R3向D2方向流过电流，由于Vb点电压从-48V开始缓慢上升，所以Vc电压也从-47.6V缓慢上升；

5, R1(10K)/R2(20K)/C1(4.7uF)的充电速度快于R3(200K)/R5(2K)/C2(10nF)，最迟在VGS

2. Q1打开阶段（t2->t3）：VGS电压VGS(th)（假设为：2V）上升至Vplt，MOS管Q1为完全打开：

1, 如果Q1在t2~t3阶段D2未截止：电压缓启动会受到R1/R2/C1的影响，导致不能自由控制电源缓起；

2, 如果Q1在t2~t3阶段D2截止：电压缓起由R3/R5/C2的放电时间所决定；在缓启动设计中，在提供足够大的防抖动时间的前提下，最好米勒平台之前，结束防抖动电路作用，此后开启时间由电压缓启动电路负责；

3, 那如何保证防抖动电路与电压缓起电路比较良好的交接，取决于R1/R2与C1充电至2V的时间，和R3与C2充电时间的计算。

3. 米勒平台阶段（t3->t4）：VGS上升至Vplt（假设Vplt=5V），此时Q1允许流过的最大电流即为缓启动电路限制的最大冲击电流（米勒平台的原理参考上一节）：

1, 当漏电流Idrain不断增大，直到负载端电压VD由0V开始下降，此时开始米勒平台阶段；一般开启瞬间设备电源输入最大电流是在设备电源电压开始上升之前，此时Q1通过自身的压降来限制冲击电流的大小；

2, 米勒效应将C2电容的容值被放大n倍，同时C2两端电压Vcd急剧变化，通过R3的电流流入C2，VGS电压（Vc）保持不变；

3, 米勒平台时间取决于R3/R5/C2电路放电的快慢，直到VDS=0V时结束米勒平台。

4. Q1完全开启：

1, 米勒平台阶段结束后，Vd为-48V保持不变；

2, R3/R5继续向C2充电，同时 R3/R4向CGS充电，VGS电压继续上升并稳定在D3的稳压点（假设为10V，Vc<16V，避免受输入电源电压波动的影响）；

3, 防抖电路R1/R2对C1的充电结束后，Vb点电压最终为R1和R2的分压（16V）。

三，MOS管应用-开关电源

开关电源是MOS管一个非常重要的应用，MOS管由于开关速度快，通流能力强，非常适合在低压，大电流，中等功率（几百瓦）以下的应用，能有效提升电源转换效率。

如下图所示为BUCK开关电源的驱动部分电路，以及PWM对应的上管和下管控制波形。

1. 开关电源的开关（对应上管）和续流二极管（对应下管），可以使用MOS管来实现，而MOS管上管和下管开启/关闭的时间，决定了MOS管的开关损耗：

——从MOS管的导通过程分析中，我们看到MOS管开关损耗主要发生在t2->t4阶段，即从MOS管打开至米勒平台结束这个阶段，而其中的重点又是米勒平台阶段。

1, 上管上升时间：Tru；

2, 上管下降时间：Tfu；

3, 下管上升时间：Trl；

4, 下管下降时间：Tfl。

2. 如果上下管同时导通，会导致电源到地短路；要避免上下管同时开启，在开启上下管之间增加死区时间：

——死区时间的设计标准已经历了好几代（具体后续“开关电源”专题讲解），而且很多开关电源芯片已预留了死区时间，但在具体设计时外部的条件：MOS管选型，驱动走线设计等，都会影响死区的裕量，有可能还是会导致上下管同时导通。

1, Tugflgr(uG to lG dead time)；

2, Tlgfugr(lG to uG dead time)。

3. MOS管寄生二极管续流和寄生电容的影响：

1, 寄生二极管是MOS管固有的，由P衬底和N（D极）之间形成，在BUCK电源中用于死区时间内提供电感续流电流；

2, CGD容值的大小会影响米勒平台时间的长短，米勒平台时间越长，MOS管的开关损耗就越大，加强驱动能力（1A以上），可以有效减小米勒平台时间；

3, CGS电容和PCB线路寄生电感（L）可能会谐振产生LC振荡，导致MOS管误开启/关断，需要在G极走线上串联电阻（1/2.2ohm），并联K级阻值电阻，防止振荡及EMI辐射问题；

4, 在D、S之间增加电容，用于吸收开关过程中的浪涌电流。

以上是本章对MOS管在开关电源中简要介绍，后续会有“开关电源”专题，将会有单独的章节分析MOS管在开关电源中的具体应用。

写在最后

非常开心，半导体基础器件的基础知识分享告一段落。我们从认识“PN结”原理开始到分析MOS管应用结束，我对自己的要求是：逻辑清晰，通俗易懂；所谓逻辑清晰：从现象或原理出发，不存在模糊和相悖内容；通俗易懂：用小学数学知识来解释复杂原理。希望自己做到了这一点。

后续如果有机会的话，非常希望能再写一章：IGBT；只是本身所处行业和IGBT的应用相差很远，后续有机会再写吧。

本章部分相关内容和图片参考自：“硬件十万个为什么”论坛相关文章；其它网络公开分享文章。下一章《开关电源基础》专题。