MOSFET的開關特性解析|必看

MOS管最顯著的特點也是具有放大能力。不過它是通過柵極電壓uGS控制其工作狀態(tài)的，是一種具有放大特性的由電壓uGS控制的開關元件。

1、靜態(tài)特性

MOS管作為開關元件，同樣是工作在截止或導通兩種狀態(tài)。由于MOS管是電壓控制元件，所以主要由柵源電壓uGS決定其工作狀態(tài)。圖下（a）為由NMOS增強型管構成的開關電路。

2、 漏極特性

反映漏極電流iD和漏極-源極間電壓uDS之間關系的曲線族叫做漏極特性曲線，簡稱為漏極特性，也就是表示函數(shù) iD=f（uDS）|uGS的幾何圖形，如圖（a）所示。

當uGS為零或很小時，由于漏極D和源極S之間是兩個背靠背的PN結，即使在漏極加上正電壓（uDS》0V），MOS管中也不會有電流，也即管子處在截止狀態(tài)。

當uGS大于開啟電壓UTN時，MOS管就導通了。因為在UGS=UTN時，柵極和襯底之間產(chǎn)生的電場已增加到足夠強的程度，把P型襯底中的電子吸引到交界面處，形成的N型層——反型層，把兩個N+區(qū)連接起來，也即溝通了漏極和源極。

所以，稱此管為N溝道增強型MOS管。可變電阻區(qū)：當uGS》UTN后，在uDS比較小時，iD與uDS成近似線性關系，因此可把漏極和源極之間看成是一個可由uGS進行控制的電阻，uGS越大，曲線越陡，等效電阻越小，如圖（a）所示。

恒流區(qū)（飽和區(qū)）：當uGS》UTN后，在uDS比較大時，iD僅決定于uGS（飽和），而與uDS幾乎無關，特性曲線近似水平線，D、S之間可以看成為一個受uGS控制的電流源。在數(shù)字電路中，MOS管不是工作在截止區(qū)，就是工作在可變電阻區(qū)，恒流區(qū)只是一種瞬間即逝的過度狀態(tài)。

3、轉移特性

反映漏極電流iD和柵源電壓uGS關系的曲線叫做轉移特性曲線，簡稱為轉移特性，也就是表示函數(shù) iD=f（uGS）|uDS的幾何圖形，如圖（b ）所示。當uGS《utn時，mos管是截止的。當ugs》UTN之后，只要在恒流區(qū)，轉移特性曲線基本上是重合在一起的。曲線越陡，表示uGS對iD的控制作用越強，也即放大作用越強，且常用轉移特性曲線的斜率跨導gm來表示。《/utn時，mos管是截止的。當ugs》

MOSFET開關power on 漏電問題

這是一個等電壓轉換開關。由單片機去控制從3V3STBY到3V3SW的pmos 開關。

如下圖，power on的過程中3V3SW power rail， 有一個voltage dip. 對比3V3SW_EN（blue），發(fā)現(xiàn)在turn on 控制信號到來之前，3V3SW上就有電壓了。

示波器測量發(fā)現(xiàn)，3V3SW_EN控制信號pull high之前，mosfet gate電壓（green）和3V3之間有1.1V左右的gap， 原則上在控制電壓到來之前Vgate=3V3， 這樣Vgs《Vth， mosfet不導通。

查閱mosfet 手冊，Vth最小0.4V。由此可見，Vgs之間壓差導致漏電。

去掉電路中的C986和C985之后，問題得到解決（最終方案C985換成了1nf的小電容）。

MOSFET的開關特性

如下是mosfet的等效模型，Gate 和Drian、Source之間分別有寄生的電容Cgd和Cgs。這兩個寄生電容直接影響著mosfet的開關特性。

有些mosfet手冊上關于這兩個寄生電容用Q來表示。

下圖是MOSFET trun on的整個過程：

Total 分為4個區(qū)域

Region 1， VGS 開始增加，這個時候還沒有到達Vth， 所以VSD保持不變，ID還是零。t1時刻，VGS=Vth

Region2， VGS 達到Vth以后， mosfet 開始導通，ID開始有電流。由于gate和source之間寄生電容的存在，gate的電壓開始給Cgs充電，達到t2的時候，Cgs 沖滿，VGS達到穩(wěn)定值，ID達到最大。

Region3， VGS繼續(xù)保持不變，Cgd開始充電，VSD之間的壓差開始減少，到達t3的時候，Cgd充滿了，VSD壓差幾乎到達最小值，這個時刻mosfet 完全導通。

Region4， VGS持續(xù)增大到驅動電壓，VSD之間的壓差=Rdson*ID.

從這個過程可以看到，如果要控制VSD的slew rate 可以控制region3的時間。Cgd增大，VSD slow rate就越小，當然in-rush current 也越小。

當然這也是為什么最上面的電路drain和gate之間有一個電容的原因，考慮到mosfet本身的寄生Cgd可能會比較小，增加這樣一個電容可以控制開關的slew rate。

回到上面的問題，由于電路中C985 C986都放了0.1uf，比較大，3V3STBY上升的過程中Gate電平?jīng)]有快速達到3.3V，導致漏電。減少容值，可解決問題。

在有些電路中為了避免上述問題，可以加一個二極管快速導通使gate電壓快速達到和source一致。

編輯：jq