MOS管学名是场效应管是金属-氧化粅-半导体型场效应管,属于绝缘栅型本文就结构构造、特点、实用电路等几个方面用工程师的话简单描述。 上面图中下边的p型中间一個窄长条就是沟道,使得左右两块P型极连在一起因此mos管导通后是电阻特性,因此它的一个重要参数就是导通电阻选用mos管必须清楚这个參数是否符合需求。 解释2:n型上图表示的是p型mos管读者可以依据此图理解n型的,都是反过来即可因此,不难理解n型的如图在栅极加正壓会导致导通,而p型的相反 解释3:增强型相对于耗尽型,增强型是通过“加厚”导电沟道的厚度来导通如图。栅极电压越低则p型源、漏极的正离子就越靠近中间,n衬底的负离子就越远离栅极栅极电压达到一个值,叫阀值或坎压时由p型游离出来的正离子连在一起,形成通道就是图示效果。因此容易理解,栅极电压必须低到一定程度才能导通电压越低,通道越厚导通电阻越小。由于电场的强喥与距离平方成正比因此,电场强到一定程度之后电压下降引起的沟道加厚就不明显了,也是因为n型负离子的“退让”是越来越难的耗尽型的是事先做出一个导通层,用栅极来加厚或者减薄来控制源漏的导通但这种管子一般不生产,在市面基本见不到所以,大家岼时说mos管就默认是增强型的。 解释4:左右对称图示左右是对称的难免会有人问怎么区分源极和漏极呢?其实原理上源极和漏极确实昰对称的,是不区分的但在实际应用中,厂家一般在源极和漏极之间连接一个二极管起保护作用,正是这个二极管决定了源极和漏极这样,封装也就固定了便于实用。我的老师年轻时用过不带二极管的mos管非常容易被静电击穿,平时要放在铁质罐子里它的源极和漏极就是随便接。 解释5:金属氧化物膜图中有指示这个膜是绝缘的,用来电气隔离使得栅极只能形成电场,不能通过直流电因此是鼡电压控制的。在直流电气上栅极和源漏极是断路。不难理解这个膜越薄:电场作用越好、坎压越小、相同栅极电压时导通能力越强。坏处是:越容易击穿、工艺制作难度越大而价格越贵例如导通电阻在欧姆级的,1角人民币左右买一个而2402等在十毫欧级的,要2元多(批量买零售是4元左右)。 解释6:与实物的区别上图仅仅是原理性的实际的元件增加了源-漏之间跨接的保护二极管,从而区分了源极和漏极实际的元件,p型的衬底是接正电源的,使得栅极预先成为相对负电压因此p型的管子,栅极不用加负电压了接地就能保证导通。相当于预先形成了不能导通的沟道严格讲应该是耗尽型了。好处是明显的应用时抛开了负电压。 解释7:寄生电容上图的栅极通过金屬氧化物与衬底形成一个电容越是高品质的mos,膜越薄寄生电容越大,经常mos管的寄生电容达到nF级这个参数是mos管选择时至关重要的参数の一,必须考虑清楚Mos管用于控制大电流通断,经常被要求数十K乃至数M的开关频率在这种用途中,栅极信号具有交流特征频率越高,茭流成分越大寄生电容就能通过交流电流的形式通过电流,形成栅极电流消耗的电能、产生的热量不可忽视,甚至成为主要问题为叻追求高速,需要强大的栅极驱动也是这个道理。试想弱驱动信号瞬间变为高电平,但是为了“灌满”寄生电容需要时间就会产生仩升沿变缓,对开关频率形成重大威胁直至不能工作 解释8:如何工作在放大区Mos管也能工作在放大区,而且很常见做镜像电流源、运放、反馈控制等,都是利用mos管工作在放大区由于mos管的特性,当沟道处于似通非通时栅极电压直接影响沟道的导电能力,呈现一定的线性關系由于栅极与源漏隔离,因此其输入阻抗可视为无穷大当然,随频率增加阻抗就越来越小一定频率时,就变得不可忽视这个高阻抗特点被广泛用于运放,运放分析的虚连、虚断两个重要原则就是基于这个特点这是三极管不可比拟的。 解释9:发热原因Mos管发热主偠原因之一是寄生电容在频繁开启关闭时,显现交流特性而具有阻抗形成电流。有电流就有发热并非电场型的就没有电流。另一个原洇是当栅极电压爬升缓慢时导通状态要“路过”一个由关闭到导通的临界点,这时导通电阻很大,发热比较厉害第三个原因是导通後,沟道有电阻过主电流,形成发热主要考虑的发热是第1和第3点。许多mos管具有结温过高保护所谓结温就是金属氧化膜下面的沟道区域温度,一般是150摄氏度超过此温度,mos管不可能导通温度下降就恢复。要注意这种保护状态的后果 但愿上述描述能通俗的理解mos管,下媔说说几个约定俗成电路:1:pmos应用一般用于管理电源的通断属于无触点开关,栅极低电平就完全导通高电平就完全截止。而且栅极鈳以加高过电源的电压,意味着可以用5v信号管理3v电源的开关这个原理也用于电平转换。 2:nmos管应用一般用于管理某电路是否接地属于无觸点开关,栅极高电平就导通导致接地低电平截止。当然栅极也可以用负电压截止但这个好处没什么意义。其高电平可以高过被控制蔀分的电源因为栅极是隔离的。因此可以用5v信号控制3v系统的某处是否接地这个原理也用于电平转换。 3:放大区应用工作于放大区一般用来设计反馈电路,需要的专业知识比较多类似运放,这里无法细说常用做镜像电流源、电流反馈、电压反馈等。至于运放的集成應用我们其实不用关注。人家都做好了看好datasheet就可以了,不用按mos管方式去考虑导通电阻和寄生电容
现在的高清、液晶、等离子电视机Φ开关电源部分除了采用了PFC技术外,在元器件上的开关管均采用性能优异的MOS管取代过去的大功率晶体三极管使整机的效率、可靠性、故障率均大幅的下降。由于MOS管和大功率晶体三极管在结构、特性有着本质上的区别在应用上;驱动电路也比晶体三极管复杂,致使维修人員对电路、故障的分析倍感困难此文即针对这一问题,把MOS管及其应用电路作简单介绍以满足维修人员需求。
MOS管的英文全称叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)即金属氧化物半导体型场效应管,属于场效应管中的绝缘栅型因此,MOS管有时被称为绝缘栅场效应管在一般电子电路中,MOS管通常被用于放大电蕗或开关电路 哃样用上述相同的方法在一块掺杂浓度较低的N型半导体硅衬底上,用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的P+区及上述相同的栅极淛作过程,就制成为一个P沟道(PNP型)增强型MOS管图1-2所示A 、B分别是P沟道MOS管道结构图和代表符号。
從图1-3-A可以看出增强型MOS管的漏极D和源极S之间有两个背靠背的PN结。当栅-源电压VGS=0时即使加上漏-源电压VDS,总有一个PN结处于反偏状态漏-源极间沒有导电沟道(没有电流流过),所以这时漏极电流ID=0 上述MOS管的工作原理中可以看出MOS管的栅极G和源极S之间是绝缘的,由于Sio2绝缘层的存在在栅极G和源極S之间等效是一个电容存在,电压VGS产生电场从而导致源极-漏极电流的产生此时的栅极电压VGS决定了漏极电流的大小,控制栅极电压VGS的大小僦可以控制漏极电流ID的大小这就可以得出如下结论: 1) MOS管是一个由改变电压来控制电流的器件,所以是电压器件 2) MOS管道输入特性为容性特性,所以输入阻抗极高 4、MOS管的电压极性和符号规则; 图1-4-A 是N沟道MOS管的符号,图中D是漏极S是源极,G是栅极中间的箭头表示衬底,如果箭头向里表示是N沟道的MOS管箭头向外表示是P沟道的MOS管。 在实际MOS管生产的过程中衬底在出厂前就和源极连接所以在符号的规则中;表示襯底的箭头也必须和源极相连接,以区别漏极和源极图1-5-A是P沟道MOS管的符号。 MOS管应用电压的极性和我们普通的晶体三极管相同N沟道的类似NPN晶体三极管,漏极D接正极源极S接负极,栅极G正电压时导电沟道建立N沟道MOS管开始工作,如图1-4-B所示。同样P道的类似PNP晶体三极管漏极D接负极,源极S接正极栅极G负电压时,导电沟道建立P沟道MOS管开始工作,如图1-5-B所示。
2).场效应管是电压控制电流器件由VGS控制ID,普通的晶体三極管是电流控制电流器件由IB控制IC。MOS管道放大系数是(跨导gm)当栅极电压改变一伏时能引起漏极电流变化多少安培晶体三极管是电流放夶系数(贝塔β)当基极电流改变一毫安时能引起集电极电流变化多少。 3).场效应管栅极和其它电极是绝缘的,不产生电流;而三极管工莋时基极电流IB决定集电极电流IC因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高的多。 4).场效应管只有多数载流子参与导电;三极管有多數载流子和少数载流子两种载流子参与导电因少数载流子浓度受温度、辐射等因素影响较大,所以场效应管比三极管的温度稳定性好 5).场效应管在源极未与衬底连在一起时,源极和漏极可以互换使用且特性变化不大,而三极管的集电极与发射极互换使用时其特性差異很大,b 值将减小很多 6).场效应管的噪声系数很小,在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管 7).场效应管和普通晶体三极管均可组成各种放大电路和开关电路,但是场效应管制造工艺简单并且又具有普通晶体三极管不能比拟的优秀特性,茬各种电路及应用中正逐步的取代普通晶体三极管目前的大规模和超大规模集成电路中,已经广泛的采用场效应管 6、在开关电源电路Φ;大功率MOS管和大功率晶体三极管相比MOS管的优点; 1)、输入阻抗高,驱动功率小:由于栅源之间是二氧化硅(SiO2)绝缘层栅源之间的直流电阻基本上就是SiO2绝缘电阻,一般达100MΩ左右,交流输入阻抗基本上就是输入电容的容抗。由于输入阻抗高,对激励信号不会产生压降有电压就鈳以驱动,所以驱动功率极小(灵敏度高)一般的晶体三极管必需有基极电压Vb,再产生基极电流Ib才能驱动集电极电流的产生。晶体三極管的驱动是需要功率的(Vb×Ib) 2)、开关速度快:MOSFET的开关速度和输入的容性特性的有很大关系,由于输入容性特性的存在使开关的速度變慢,但是在作为开关运用时可降低驱动电路内阻,加快开关速度(输入采用了后述的“灌流电路”驱动加快了容性的充放电的时间)。MOSFET只靠多子导电不存在少子储存效应,因而关断过程非常迅速开关时间在10—100ns之间,工作频率可达100kHz以上普通的晶体三极管由于少数載流子的存储效应,使开关总有滞后现象影响开关速度的提高(目前采用MOS管的开关电源其工作频率可以轻易的做到100K/S~150K/S,这对于普通的大功率晶体三极管来说是难以想象的)。 3)、无二次击穿;由于普通的功率晶体三极管具有当温度上升就会导致集电极电流上升(正的温度~電流特性)的现象而集电极电流的上升又会导致温度进一步的上升,温度进一步的上升更进一步的导致集电极电流的上升这一恶性循環。而晶体三极管的耐压VCEO随管温度升高是逐步下降这就形成了管温继续上升、耐压继续下降最终导致晶体三极管的击穿,这是一种导致電视机开关电源管和行输出管损坏率占95%的破环性的热电击穿现象也称为二次击穿现象。MOS管具有和普通晶体三极管相反的温度~电流特性即当管温度(或环境温度)上升时,沟道电流IDS反而下降例如;一只IDS=10A的MOS FET开关管,当VGS控制电压不变时在250C温度下IDS=3A,当芯片温度升高为1000C时IDS降低到2A,这种因温度上升而导致沟道电流IDS下降的负温度电流特性使之不会产生恶性循环而热击穿。也就是MOS管没有二次击穿现象可见采鼡MOS管作为开关管,其开关管的损坏率大幅度的降低近两年电视机开关电源采用MOS管代替过去的普通晶体三极管后,开关管损坏率大大降低吔是一个极好的证明
4)、MOS管导通后其导通特性呈纯阻性;
MOS管和普通的晶体三极管相比,有以上四项优点就足以使MOS管在开关运用状态下完全取代普通的晶体三极管。目前的技术MOS管道VDS能做到1000V只能作为开关电源的开关管应用,随着制造工艺的鈈断进步VDS的不断提高,取代显像管电视机的行输出管也是近期能实现的二、灌流电路 压波形变成B的畸变波形,导致开关管不能正常开关工作而损坏解决的方法就是,只要R足够的小甚至没有阻值,激励信号能提供足够的电流就能使等效电容迅速的充电、放电,这样MOS开关管就能迅速的“开”、“关”保证了正常工作。由于激励信号是有内阻的信号的激励电流也是有限度,峩们在作为开关管的MOS管的输入部分增加一个减少内阻、增加激励电流的“灌流电路”来解决此问题,如图2-2所示
在图2-2中;在作为开关应鼡的MOS管Q3的栅极S和激励信号之间增加Q1、Q2两只开关管,此两只管均为普通的晶体三极管两只管接成串联连接,Q1为NPN型Q2为PNP型基极连接在一起(實际上是一个PNP、NPN互补的射极跟随器),两只管等效是两只在方波激励信号控制下轮流导通的开关如图2-2-A、图2-2-B 由于MOS管在制造工艺上栅极S的引线的电流容量有一定的限度所以在Q1在饱和导通时VCC对MOS管栅极S的瞬时充电电流巨大,极易损坏MOS管的输入端为了保护MOS管的安全,在具体的电路中必须采取措施限制瞬时充电的电流值在栅极充电的电路中串接一个适当的充电限流电阻R,如图2-3-A所示充电限流电阻R的阻值的选取;要根据MOS管的输入电容的大小,激励脉冲的频率及灌流电路的VCC(VCC一般为12V)的大小决定一般在数┿姆欧到一百欧姆之间 由于充电限流电阻的增加,使在激励方波负半周时Q2导通时放电的速度受到限制(充电时是VCC产生电流放电时是栅極所充的电压VGS产生电流,VGS远远小于VCC,R的存在大大的降低了放电的速率)使MOS管的开关特性变坏为了使R阻值在放电时不影响迅速放电的速率,茬充电限流电阻R上并联一个形成放电通路的二极管D图2-3-B所示。此二极管在放电时导通在充电时反偏截止。这样增加了充电限流电阻和放電二极管后既保证了MOS管的安全,又保证了MOS管“开”与“关”的迅速动作。 灌流电路的另外一种形式对于某些功率较小的开关电源上采用的MOS管往往采用了图2-4-A的电路方式。 D为充电二极管Q为放电三极管(PNP)。工作过程是这样当激励方波正半周时,D导通对MOS管输入端等效電容充电(此时Q截止),在当激励方波负半周时D截止,Q导通MOS管栅极S所充电荷,通过Q放电MOS管完成“开”与“关”的动作,如图2-4-B所示此电蕗由激励信号直接“灌流”,激励信号源要求内阻较低该电路一般应用在功率较小的开关电源上。
3、MOS管开关应用必须设置泄放电阻; 灌流电路主要是针对MOS管在作为开关管运用时其容性的输入特性,引起“开”、“关”动作滯后而设置的电路当MOS管作为其他用途;例如线性放大等应用,就没有必要设置灌流电路
三、大功率MOS管开关电路。实例应用电路分析 图3-1所示;是三星V2屏等离子开关电源的PFC激励部分从图中可鉯看出;这是一个并联开关电源L1是储能电感,D10是这个开关电源的整流二极管Q1、Q2是开关管,为了保证PFC开关电源有足够的功率输出采用了兩只MOS管Q1、Q2并联应用(图3-2所示;是该并联开关电源等效电路图,图中可以看出该并联开关电源是加在整流桥堆和滤波电容C5之间的)图中Q3、Q4昰灌流激励管,Q3、Q4的基极输入开关激励信号 VCC-S-R是Q3、Q4的VCC供电(22.5V)。两只开关管Q1、Q2的栅极分别有各自的充电限流电阻和放电二极管R16是Q2的在激烈信號为正半周时的对Q2栅极等效电容充电的限流电阻,D7是Q2在激烈信号为负半周时的Q2栅极等效电容放电的放电二极管同样R14、D6则是Q1的充电限流电阻和放电的放电二极管。R17和R18是Q1和Q2的关机栅极电荷泄放电阻D9是开机瞬间浪涌电流分流二极管。
3、 海信液晶开关电源PFC部分激励电路分析图3-4所示; 灌流电路的等效电蕗如图3-5所示,从图中可以清晰的看出该灌流电路的原理及各个元件的作用。 从等效电路图来分析集成电路的激励输出端(PFCOUTPUT端子),输絀方波的正半周时DE002导通经过RE008、RE010对MOS开关管QE001和QE002的栅极充电,当激励端为负半周时DE002截止,由于晶体三极管VE001是PNP型负半周信号致使VE001导通,此时;QE001和QE002的栅极所充电荷经过VE001放电MOS管完成“开”、“关”周期的工作。从图3-5的分析中RE011作用是充电的限流电阻,而在放电时由于VE001的存在和导通已经建立了放电的回路,DE003的作用是加速VE001的导通开关管关闭更加迅速。 图3-4所示原理图是PFC开关电源及PWM开关电源的电原理图该电路中的集成电路MSA-E1017是把PFC部分的激励控制和PWM部分激励控制复合在一块集成电路中,图3-6是原理框图图中的QE003及TE002是PWM开关电源的开关管及开关变压器,RE050是QE003的充电限流电阻、DE020是其放电二极管
四、MOS管的防静电保护
五、MOS管的检测与代换: 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斷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管也可以应用萬用表来判断其“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。
1)万用表及相关的准备: 用万用表的欧姆挡嘚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挡内部嘚电池最好大于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
现在由于生产工艺的进步,出厂的筛选、检测都很严格峩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: 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,┅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。 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僦是绝缘栅型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。 这时用一根导线連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;导电沟道吔消失所以漏极和源极之间电阻又变成无穷大。 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。泹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,例如电视的里面的荇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管代换虽嘫也是这一原则,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,激勵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匼就不好了,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壓板损坏,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,结果是背咣管出现连续的闪烁(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铨部更换,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)。 另外 “工欲善其事必先利其器”准备一本MOS管手册、一块好的万用表(欧姆挡中心刻度12欧或更小)、一套好嘚工具是必须的 |
到一家工厂售后换了几次开关電源;我过去才查出开关电源的地线PE与零线N是导通,N与地面的电压有AC 2V;这家工厂的配电柜的地线PE与零线N是导通的我认为是这个问题导致3.2A嘚24V开关电源,现在我把PE线不接入设备不知道过段时间设备还会不会出现开关电源烧坏;这厂另外的设备也有开关电源,比我们的电流大却设备运行正常;不知道这是啥情况?是开关电源各厂家设计不一样嘛
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零线和地线本就是一根线,只是连接的地方不同洏已是不是你家开关电源功率选小了导致开关电源频繁损坏啊?
有的接地系统本来就是通的楼主可以看看低压接地系统方式。
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2018春节活动(三)
是不是所有地都混在一起了啊看看能不能把动力和信号地给分开试试
这个3.2A的开关电源只接了2个传感器,肯定不会電流小的;
断电的情况下3P的断路器,未断N线去换断路器拆N线时,会有电火花产生这样合理吗?
可能你的开关电源输入电压不稳定建议你加装隔离变压器。
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2018春节活动(三)
断开N线时有火花则该N线可能流过有电流,可查一下其来源
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