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请问:这种MOS管电压的兼容设计,有没有风险?

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下图展示了一个咱们常见的简单电路:利用一个NMOS(Q2)来控制PMOS(Q1)的通断,它通常应用于需要对某路电压进行时序控制的场景,例如电源时序管理、背光电压或LCD屏供电的控制。然而,在实际的产品兼容性设计中,我们往往会面临两种输入电压的情况:
第一,输入电压VCC为DC12VDC24V,也就是两种电压二选一。
第二,输入电压VCC为DC12VDC24V,也就是同时存在两种输入电压。  
不同输入电压会对主回路产生什么影响?关键在于,它会改变控制PMOS Q1的栅源电压Vgs。
当 VCC = 12V 且 PWM 为高电平时,Q2 导通后,计算可得 Q1 的Vgs=6V;
 VCC = 24V 且 PWM 为高电平时,Q2 导通后,计算可得 Q1 的Vgs=12V。
这就引出了一个核心问题:在不同输入电压下,Q1 的Vgs值会随之变化。那么Vgs应该设定为多少才合适?这样的设计是否存在潜在风险?

通过以上分析,我们已经明确了问题所在。接下来,我们将从以下几个方面逐步讨论,咱们一起寻找问题的答案。


01

了解栅源电压Vgs  

要确保MOS管正常导通,我们首先需要了解一个基本参数:阈值电压Vgs(th)这是使MOS管开始导通所需的最小栅源电压。只有当施加的Vgs电压大于此阈值时,MOS管才会开启。  
那么,Vgs(th)的具体数值是多少呢?实际上,它因不同的MOS管型号而异。我们可以通过查阅任意一款MOS管的规格书来找到这个参数。以下图为例,这款MOS管在Vgs=Vds的测试条件下,其Vgs(th)最大值为2.5V,但请注意,此时对应的漏极电流ID仅为250μA如此小的电流显然无法满足大多数实际应用的需求,我们通常需要MOS管能够通过更大的电流。  
 
细心的同学可能已经注意到,前面提到的Vgs(th)最大值2.5V是在结温Tj=25℃的条件下给出的。如果产品的实际工作环境温度范围较宽,我们还能简单地按照这个2.5V来设计驱动电路吗?  

答案显然是否定的。因为MOS管是金属氧化物,半导体场效应晶体管,半导体中载流子的迁移率与外界温度环境直接相关,温度变化会显著影响阈值电压

所以这里有一个误区就是将开启电压与最佳工作电压搞混了。2.5V是让MOS管开始导通的门槛,因此仅仅满足阈值电压并不足以实现充分的导通,我们还需要关注能使MOS管输出足够电流的实际驱动电压。

为了准确评估这种影响,我们可以在器件手册中找到如下图所示的温度特性曲线。

 
如图我们可以看到,温度越高,Vgs(th)越小,温度越低,Vgs(th)越大。所以我们在设计驱动电压时,不要觉得只要超过了阈值电压就可以正常开通MOS管了。那驱动电压还跟什么有关?我们通过两张图咱们再来进一步理解一下。  
第一张图,假定横坐标VDS电压都是0.4V,可以看出Vgs驱动电压越大,输出电流也就越大,也就意味着Vgs电压决定了MOS管的导通程度,只要提高Vgs,MOS管就能从相同的电压获得更大的电流。  
 
第二张图,在温度为25℃条件下,也就是图中黑色的曲线,可以看出MOS管的导通电阻RDS(on)不是一个固定值,它与Vgs电压的强度密切相关。
 
随着Vgs升高,半导体内部形成的导电沟道会显著增强,会有更宽更深的沟道为载流子提供了更低阻力的通路,从而使RDS(on)大幅降低。  
 
综上,尽可能的提高Vgs电压,使MOS管尽可能完全饱和,使其达到数据手册上标称的最低RDS(on),从而最大程度地减少导通损耗。
 

 

02

米勒平台    

如图,MOS管内部有寄生电容Cgs,Cgd,Cds。因为寄生电容的存在,所以给栅极电压的过程就是给电容充电的过程。

 

其中:

输入电容Ciss=Cgs+Cgd,

输出电容Coss=Cgd+Cds,

反向传输电容Crss=Cgd,也叫米勒电容。

然而,这三个等效电容是构成串并联组合关系,它们并不是独立的,而是相互影响,其中一个关键电容就是米勒电容Cgd。这个电容不是恒定的,它随着栅极和漏极间电压变化而迅速变化,同时会影响栅极和源极电容的充电。

 
上图为米勒平台,也叫米勒效应,是指MOS管g、d的极间电容Crss在开关动作期间引起的瞬态效应。  
在米勒平台这段时间里,MOS管处于半开半关的状态:漏源电压(VDS)正在下降,而漏极电流(ID)却在上升。这种高电压和大电流同时存在的阶段,会产生很大的开关损耗,导致MOS管在瞬间严重发热。
 

因此,我们总希望这个平台的时间越短越好。

 

 

03

Vgs如何取值?      

首先,我们可以确认Vgs的电压值能承受的最大范围,随意打开一个MOS管的规格书,可以看到Vgs工作的电压范围在±20V,这也是它的最大耐压,所以驱动电压一定不能超过±20V。  
 
根据经验值,像开关电源的功率MOS管由于需要降低导通损耗,以及通过较大电流,一般的G极驱动电压都是10V-15V。对于做逻辑电平转换器件,可适当降低驱动电压。  

 
其次电压一定要高于米勒平台,这个米勒平台的电压没有一个具体的数值,它取决于器件参数、工作条件和驱动设计。可以用示波器来测量。  
所以回到咱们最初的问题,当Vgs=12V肯定是可以的,12V这个驱动电压,已经比MOS管米勒平台电压高出一大截了。这就好比给你的栅极电容Ciss配了一个马力更大的充电泵,能一下子灌进更大的瞬时电流。  

这样一来,MOS管就像被猛推了一把,能用更快的速度冲过那个速度又慢、功耗又大的米勒平台危险区。整个开关切换的过程一下子就缩短了。

而开关时间越短,MOS管在半开半关那种挣扎状态里呆的时间就越少,就是开关损耗自然就越低。


当Vgs=6V时,这样的设计是否存在潜在风险?大家心里也就有了答案。   

来源:硬件笔记本
电源电路半导体控制
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2026-02-12
最近编辑:6月前
硬件笔记本
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