MOSFET制造非常好的電子開(kāi)關(guān)，用于控制負(fù)載和CMOS數(shù)字電路，因?yàn)樗鼈冊(cè)诮刂购惋柡蛥^(qū)域之間工作。

我們之前看到，N通道，增強(qiáng)模式MOSFET（e-MOSFET）使用正輸入電壓工作，具有極高的輸入電阻（幾乎無(wú)限大），幾乎可以與任何能夠產(chǎn)生正輸出的邏輯門(mén)或驅(qū)動(dòng)器連接。

我們還看到，由于這種非常高的輸入（柵極）電阻，我們可以安全地將許多不同的MOSFET并聯(lián)在一起，直到我們達(dá)到我們所需的電流處理能力。

將各種MOSFET并聯(lián)連接可以啟用我們要切換高電流或高電壓負(fù)載，這樣做會(huì)在元件和電路板空間變得昂貴且不切實(shí)際。為了克服這個(gè)問(wèn)題，功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管或功率FET在哪里發(fā)展.V

我們現(xiàn)在知道場(chǎng)效應(yīng)晶體管之間存在兩個(gè)主要差異，耗盡型僅適用于JFET，以及MOSFET的增強(qiáng)型和耗盡型。在本教程中，我們將討論使用增強(qiáng)型MOSFET作為開(kāi)關(guān)，因?yàn)檫@些晶體管需要正柵極電壓才能“導(dǎo)通”而零電壓需要“關(guān)閉”，這使得它們很容易被理解為開(kāi)關(guān)也易于與邏輯門(mén)接口。

增強(qiáng)型MOSFET或e-MOSFET的操作可以使用下面顯示的IV特性曲線(xiàn)進(jìn)行描述。當(dāng)輸入電壓（ V IN ）到晶體管的柵極為零時(shí)，MOSFET幾乎不導(dǎo)通電流和輸出電壓（ V OUT ）等于電源電壓 V DD 。因此MOSFET在其“截止”區(qū)域內(nèi)“關(guān)閉”。

MOSFET特性曲線(xiàn)

在承載所選漏極電流時(shí)，確保MOSFET保持“導(dǎo)通”所需的最小導(dǎo)通狀態(tài)柵極電壓可由上述V-I傳輸曲線(xiàn)確定。當(dāng) V IN 為HIGH或等于 V DD 時(shí)，MOSFET Q點(diǎn)移至點(diǎn)沿負(fù)載線(xiàn)的。

由于溝道電阻減小，漏極電流 I D 增加到其最大值。 I D 變?yōu)楠?dú)立于 V DD 的常數(shù)值，并且僅依賴(lài)于 V GS 。因此，晶體管的行為類(lèi)似于閉合開(kāi)關(guān)，但由于其 R DS（on） 值，溝道導(dǎo)通電阻不會(huì)完全降低到零，但變得非常小。

同樣，當(dāng) V IN 為低電平或降至零時(shí)，MOSFET Q點(diǎn)沿負(fù)載線(xiàn)從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)。溝道電阻非常高，因此晶體管的作用類(lèi)似于開(kāi)路，沒(méi)有電流流過(guò)溝道。因此，如果MOSFET的柵極電壓在兩個(gè)值HIGH和LOW之間切換，則MOSFET將表現(xiàn)為“單刀單擲”（SPST）固態(tài)開(kāi)關(guān)，此操作定義為：

1.Cut-off Region

這里晶體管的工作條件是零輸入柵極電壓（ V IN ），零漏極電流 I D 且輸出電壓 V DS = V DD 。因此，對(duì)于增強(qiáng)型MOSFET，導(dǎo)電通道閉合，器件切換為“OFF”。

截止特性

當(dāng)使用e-MOSFET作為開(kāi)關(guān)時(shí)，我們可以定義截止區(qū)域或“關(guān)閉模式”，即柵極電壓， V GS TH 因此 I D = 0 。對(duì)于P溝道增強(qiáng)型MOSFET，柵極電位必須相對(duì)于源極更正。

2.飽和區(qū)

在飽和或線(xiàn)性區(qū)域，晶體管將是偏置使得最大柵極電壓施加到器件，導(dǎo)致溝道電阻 R DS（on 盡可能小，最大漏極電流流過(guò)MOSFET開(kāi)關(guān)。因此，對(duì)于增強(qiáng)型MOSFET，導(dǎo)電溝道是開(kāi)路的，器件是“開(kāi)”的。

飽和度特征

然后我們可以在使用時(shí)定義飽和度區(qū)域或”O(jiān)N模式“作為柵極 - 源極電壓的開(kāi)關(guān)的e-MOSFET， V GS > V TH 因此 I D =最大 。對(duì)于P溝道增強(qiáng)型MOSFET，柵極電位相對(duì)于源極必須更負(fù)。

通過(guò)向FET的柵極施加合適的驅(qū)動(dòng)電壓，漏極 - 源極溝道的電阻， R DS（on） 可以從數(shù)百kΩ的“關(guān)斷電阻”變化，實(shí)際上是開(kāi)路，到“導(dǎo)通電阻”小于1Ω，有效地用作短路。

當(dāng)使用MOSFET作為開(kāi)關(guān)時(shí)，我們可以驅(qū)動(dòng)MOSFET更快或更慢地“導(dǎo)通”，或者通過(guò)高電流或低電流。這種將功率MOSFET“接通”和“斷開(kāi)”的能力使該器件可以用作非常有效的開(kāi)關(guān)，其開(kāi)關(guān)速度比標(biāo)準(zhǔn)雙極結(jié)晶體管快得多。

使用MOSFET作為一個(gè)開(kāi)關(guān)

在這個(gè)電路配置中，增強(qiáng)型N溝道MOSFET用于將一個(gè)簡(jiǎn)單的燈“開(kāi)”和“關(guān)” “（也可以是LED）。

柵極輸入電壓 V GS 被置于適當(dāng)?shù)恼妷弘娖揭赞D(zhuǎn)動(dòng)器件，因此燈負(fù)載“ON”，（ V GS = + ve ）或零電壓電平將器件“關(guān)閉”，（ V GS = 0V ）。

如果燈的電阻負(fù)載要用線(xiàn)圈，電磁閥或繼電器等感性負(fù)載代替，那么“續(xù)流二極管”會(huì)需要與負(fù)載并聯(lián)以保護(hù)MOSFET免受任何自發(fā)生的反電動(dòng)勢(shì)的影響。

上圖顯示了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的電路用于切換諸如燈或LED的電阻性負(fù)載。但是，當(dāng)使用功率MOSFET來(lái)切換電感或電容負(fù)載時(shí)，需要某種形式的保護(hù)來(lái)防止MOSFET器件損壞。驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載與驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載的效果相反。

例如，沒(méi)有電荷的電容器是短路的，導(dǎo)致電流的高“涌入”，當(dāng)我們從感性負(fù)載中移除電壓時(shí)，隨著磁場(chǎng)的坍塌，我們會(huì)產(chǎn)生大的反向電壓，在電感器的繞組中產(chǎn)生感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)。

然后我們可以總結(jié)下表中N溝道和P溝道型MOSFET的開(kāi)關(guān)特性。

請(qǐng)注意，與t不同他的N溝道MOSFET的柵極端子必須比源極更正（吸引電子）以允許電流流過(guò)溝道，通過(guò)P溝道MOSFET的傳導(dǎo)是由于空穴的流動(dòng)。也就是說(shuō)，P溝道MOSFET的柵極端子必須比源極更負(fù)，并且只會(huì)停止導(dǎo)通（截止）直到柵極比源極更正。

所以對(duì)于增強(qiáng)類(lèi)型功率MOSFET作為模擬開(kāi)關(guān)器件工作，需要在其“截止區(qū)域”之間切換，其中： V GS = 0V （或 V GS = - ve ）及其“飽和區(qū)域”，其中： V GS（on） = + ve 。 MOSFET中消耗的功率（ P D ）取決于飽和時(shí)流過(guò) I D 的電流以及 R DS（on） 給出的通道的“導(dǎo)通電阻”。例如。

MOSFET作為開(kāi)關(guān)示例No1

讓我們假設(shè)燈的額定電壓為6v，24W且完全“接通”，標(biāo)準(zhǔn)MOSFET具有通道導(dǎo)通電阻（ R DS（on） ）0.1ohms的值。計(jì)算MOSFET開(kāi)關(guān)器件的功耗。

流過(guò)燈的電流計(jì)算如下：

然后MOSFET中消耗的功率將給出：

你可能會(huì)坐在那里思考，那么是什么！，但當(dāng)使用MOSFET作為開(kāi)關(guān)來(lái)控制直流電機(jī)或具有高浪涌電流的電氣負(fù)載時(shí)，“ON “漏極和源極之間的溝道電阻（ R DS（on） ）非常重要。例如，控制直流電機(jī)的MOSFET在電機(jī)首次開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)受到高沖擊電流，因?yàn)殡姍C(jī)啟動(dòng)電流僅受電機(jī)繞組電阻值非常低的限制。

由于基本冪關(guān)系是： P = I 2 R ，然后是高 R DS（on） 溝道電阻值只會(huì)導(dǎo)致大量功率耗散并浪費(fèi)在MOSFET內(nèi)部，從而導(dǎo)致溫度過(guò)高，如果不加以控制，可能會(huì)導(dǎo)致MOSFET因熱過(guò)載而變得非常熱和損壞。

通道電阻的較低 R DS（on） 值也是一個(gè)理想的參數(shù)，因?yàn)樗兄诮档屯ǖ烙行э柡碗妷海?V跨越MOSFET的 DS（sat） = I D * R DS（on） ）因此將在較冷的溫度下運(yùn)行。功率MOSFET通常具有小于0.01Ω的 R DS（on） 值，這允許它們運(yùn)行更冷，延長(zhǎng)其工作壽命。

使用MOSFET作為開(kāi)關(guān)器件時(shí)的主要限制之一是它可以處理的最大漏極電流。因此 R DS（on） 參數(shù)是MOSFET開(kāi)關(guān)效率的重要指南，簡(jiǎn)單地以 V DS <的比率給出/ sub> / I D 當(dāng)晶體管切換為“ON”時(shí)。

當(dāng)使用MOSFET或任何類(lèi)型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為固體時(shí) - 狀態(tài)切換設(shè)備始終建議選擇具有非常低的 R DS（on） 值的設(shè)備，或者至少將它們安裝到合適的散熱器上以幫助減少熱量失控和損壞。用作開(kāi)關(guān)的功率MOSFET通常在其設(shè)計(jì)中內(nèi)置浪涌電流保護(hù)，但對(duì)于大電流應(yīng)用，雙極結(jié)晶體管是更好的選擇。

功率MOSFET電機(jī)控制

由于MOSFET具有極高的輸入或柵極電阻，其非?？斓拈_(kāi)關(guān)速度和易于驅(qū)動(dòng)的特性使其成為與運(yùn)算放大器或標(biāo)準(zhǔn)邏輯門(mén)接口的理想選擇。但是，必須注意確保正確選擇柵極 - 源極輸入電壓，因?yàn)楫?dāng)使用MOSFET作為開(kāi)關(guān)時(shí)，器件必須獲得低 R DS（on） 與此輸入柵極電壓成比例的溝道電阻。

低閾值型功率MOSFET在其柵極上施加至少3V或4V之后可能無(wú)法切換為“ON”，如果邏輯門(mén)的輸出僅為+ 5V邏輯，可能不足以完全驅(qū)動(dòng)MOSFET進(jìn)入飽和狀態(tài)。使用低閾值MOSFET設(shè)計(jì)用于連接閾值低至1.5V至2.0V的TTL和CMOS邏輯門(mén)。

功率MOSFET可用于控制直流電機(jī)或無(wú)刷步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)直接來(lái)自計(jì)算機(jī)邏輯或使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）型控制器。由于直流電機(jī)提供高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩并且也與電樞電流成比例，因此MOSFET開(kāi)關(guān)和PWM可用作非常好的速度控制器，可提供平穩(wěn)和安靜的電機(jī)運(yùn)行。

簡(jiǎn)單功率MOSFET電機(jī)控制器

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由于電機(jī)負(fù)載是電感性的，因此在感性負(fù)載兩端連接一個(gè)簡(jiǎn)單的續(xù)流二極管當(dāng)MOSFET將其“關(guān)閉”時(shí)，消除電機(jī)產(chǎn)生的任何反電動(dòng)勢(shì)。由齊納二極管與二極管串聯(lián)形成的鉗位網(wǎng)絡(luò)也可用于更快的切換和更好地控制峰值反向電壓和退出時(shí)間。

為了增加安全性，當(dāng)使用電感負(fù)載（如電機(jī)，繼電器）時(shí)，還可以在MOSFET開(kāi)關(guān)的溝道上放置額外的硅或齊納二極管 D 1 電磁閥等，用于抑制過(guò)壓開(kāi)關(guān)瞬態(tài)和噪聲，如果需要，可為MOSFET開(kāi)關(guān)提供額外保護(hù)。電阻 R GS 用作下拉電阻，當(dāng)MOSFET切換為“OFF”時(shí)，有助于將TTL輸出電壓降至0V。

P溝道MOSFET開(kāi)關(guān)

到目前為止，我們已經(jīng)看到N溝道MOSFET作為開(kāi)關(guān)，MOSFET放置在負(fù)載和地之間。這也允許MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)或開(kāi)關(guān)信號(hào)以地為參考（低側(cè)開(kāi)關(guān)）。

P溝道 - MOSFET開(kāi)關(guān)

但在某些應(yīng)用中，我們需要使用P溝道增強(qiáng)型MOSFET，負(fù)載直接連接到地。在這種情況下，MOSFET開(kāi)關(guān)連接在負(fù)載和正電源軌之間（高側(cè)開(kāi)關(guān)），就像我們使用PNP晶體管一樣。

在P溝道器件中，傳統(tǒng)的漏極電流流入負(fù)方向，因此施加負(fù)柵極 - 源極電壓以將晶體管“導(dǎo)通”。

這是因?yàn)镻溝道MOSFET“顛倒”，其源極端子連接到正電源<跨度> + V <子> DD 。然后當(dāng)開(kāi)關(guān)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，MOSFET變?yōu)椤癘N”，當(dāng)開(kāi)關(guān)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，MOSFET變?yōu)椤癘FF”。

這種P溝道增強(qiáng)型MOSFET開(kāi)關(guān)的倒置連接使我們能夠連接它與N溝道增強(qiáng)型MOSFET串聯(lián)，產(chǎn)生互補(bǔ)或CMOS開(kāi)關(guān)器件，如雙電源所示。

互補(bǔ)MOSFET電機(jī)控制器

兩個(gè)MOSFET配置為從雙電源產(chǎn)生雙向開(kāi)關(guān)，電機(jī)連接在公共漏極連接和接地參考之間。當(dāng)輸入為低電平時(shí)，P溝道MOSFET導(dǎo)通，因?yàn)槠鋿?- 源結(jié)被負(fù)偏壓，因此電機(jī)在一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。只有正 + V DD 電源軌用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

當(dāng)輸入為高電平時(shí)，P通道設(shè)備關(guān)閉并且N溝道器件在其柵極 - 源極結(jié)正偏置時(shí)導(dǎo)通。電機(jī)現(xiàn)在以相反的方向旋轉(zhuǎn)，因?yàn)殡姍C(jī)端子電壓已反轉(zhuǎn)，因?yàn)樗F(xiàn)在由負(fù) -V DD 電源軌提供。

然后，P溝道MOSFET用于將正電源切換到電機(jī)正向（高側(cè)開(kāi)關(guān)），而N溝道MOSFET用于將負(fù)電源切換到電機(jī)反向（低側(cè)開(kāi)關(guān)）用于驅(qū)動(dòng)具有許多不同應(yīng)用的兩個(gè)MOSFET的配置有多種配置。

如圖所示，P溝道和N溝道器件均可由單個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)IC驅(qū)動(dòng)。

但是，為了避免兩個(gè)MOSFET的交叉導(dǎo)通同時(shí)導(dǎo)通兩個(gè)極性雙電源，快速開(kāi)關(guān)器件需要在它們之間轉(zhuǎn)動(dòng)“OFF”和另一個(gè)轉(zhuǎn)向“ON”之間提供一些時(shí)間差。克服該問(wèn)題的一種方法是分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MOSFETS柵極。然后，當(dāng)兩個(gè)MOSFET均為“OFF”時(shí)，這將為電機(jī)產(chǎn)生第三個(gè)“STOP”選項(xiàng)。

互補(bǔ)MOSFET電機(jī)控制表

請(qǐng)注意，重要的是不允許同時(shí)允許其他輸入組合，因?yàn)檫@可能會(huì)導(dǎo)致電源供應(yīng)由于兩個(gè)MOSFET， FET 1 和 FET 2 可以一起切換為“ON”，從而導(dǎo)致短路在：（fuse = bang?。?qǐng)注意。