张飞硬件第四部（一）

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第一章 项目背景

      项目名称：智能空气净化通风系统

      功能：当空气有一定的污染时，打开净化系统开始进行空气净化和杀菌处理，经过一段时间处理后，当空气中空气经过净化且重回健康后，关闭净化系统。

第二章 项目条件

      1.气味传感器：对空气进行检测，并转换成电压信号。

      2.传感器产生的电压信号是一个微小的电压信号，不好进行控制，因此需要对这个电压信号进行放大处理，用放大后的电压信号控制机器的开和关。（运算放大器，有运算的部分在其中，包括幅度变化，相位变化）

      3.比较器：用来比较传感器产生的电压信号与阈值电压

      4.需要15V 2A直流有刷马达。（根据所需风量来定）

      5.MOS管产生开关信号，2A对三极管来说电流很大，因此选用MOS管。

      6.电源系统由外部适配器提供：15VDC 3A

第三章 项目实现

第一节 涉及知识点

1.1 MOS管

1.1.1 MOS管的定义

      MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体）FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层的栅极隔着氧化物利用电场的效应来控制半导体的场效应晶体管。

但随着半导体技术的进步，现代的MOSFET栅极早已用多晶硅取代了金属。

1.1.2 MOS管的分类

N沟道MOS管

P沟道MOS管(若要导通：GS反偏，即S点的电压大于G点的电压，DS反偏。即S点的电压大于D点电压）

      MOS管也分为N型MOS管和P型MOS管，N型MOS管指的是N型沟道的MOS管，P型MOS管指的是P型沟道的MOS管。

      MOSFET电路符号中，箭头方向永远从P端指向N端，以箭头从沟道指向基级或基级指向沟道来判断MOSFET类型。

      N型MOS管应用广的原因：开关速度快；耐压高；通过电流能力大。

1.1.3 体二极管工作原理

      N型MOS管有一个体二极管（封装在内部的），二极管的作用是：当MOS管导通时，体二极管是截止的，电流只能通过DS端流过；当MOS管关断时，反向的电流可以通过二极管往回流。

1.1.4 MOS管和三极管的区别

      1. 控制方式：MOS管是电压控制的（压控压型：Vgs大于阈值电压，Vds=0），三极管是电流控制的（流控流型：基级流过电流ib，发射机流过电流ic）。
      2.使用场所：大功率的情况下使用MOS管，小功率的情况下使用三极管。
      3.如果N型三极管的C端所接为断路，那么当基级流过电流ib时，三极管的C极没有电流流过，三极管也是不导通的。如果N型MOS管的D极所接为断路，那么当Vgs的电压大于阈值电压时，MOS管仍然导通，Vds=0，因此MOS管一定要加一个下拉电阻，防止Cgs没有放电回路，保证mos管稳定工作且防止高压静电使mos管误导通。

1.1.5 MOS管参数

      MOS管的阈值电压一般为4.5V，温度上升到一定程度时，ID下降。（注意散热）
      datasheet中的V_DS决定了应用场合，V_DS为60V，表示DS端最大耐压值为60V，管子应该用在30V的场合（留有一定余量）
      datasheet中的V_GS表示GS端的最大耐压值。
      datasheet中的V_GS（th）表示阈值电压。
      datasheet中的I_D（at V_GS=10V)=85A，表示V_GS=10V管子可以流过85A电流。
      datasheet中的I_DM表示瞬时峰值电流。
      datasheet中的R_DS(ON)如果很大的话，通大电流时管子就会很热。
      datasheet中的P_D表示MOS管所能承受的最大功率
      C_iss表示输入电容
      C_oss表示输出电容
      C_rss表示反向传输电容
      R_g表示门级电阻

1.1.5.1 导通电阻

标准平面扩散性晶体管：

      MOS管的导通电阻Rds（on）=R_channel（沟道电阻）+R_JFET（JFET电阻）+R_EPi（外延层电阻）+R_substrate（衬底电阻）

标准沟槽式(Trench MOSFET)：

      改进：清除R_JFET（值很大），减少Rds（on）

      MOS管的导通电阻Rds（on）=R_channel（沟道电阻）+R_EPi（外延层电阻）+R_substrate（衬底电阻）

1.1.5.2 MOSFET级间电容

      MOSFET的制作过程中有一些电容是没有办法避免的，比如说栅极到源级之间的分布电容（C_gs），漏级到源级之间的分布电容（C_ds）

C_rss=C_gd（反向传输电容）
C_iss=C_gs+C_gd（输入电容）
C_gs=C_gs1+C_gs2C_gs3
C_oss=C_ds+C_gd（输出电容）
C_ds=C_ds1+C_ds2

      C_iss：将漏源短接，用交流信号测得栅极和源极之间的电容。由于漏源短接，栅漏电容C_gd并联再栅极和源级两端，因此输入电容;C_iss由栅漏电容C_gd和栅源电容C_gs并联而成，当输入电容充电至阈值电压时，器件才能开启，放电至一定值时，器件才可以关断，因此驱动电路和C_iss对器件的开启和关断延时有着直接的影响。（由电容的充电曲线得知，电容越小，充电时间越短，放电时间越短，放热量越小）

      C_oss：将栅源短接，用交流信号测得的漏级和源级之间的电容，由漏源电容C_ds和栅漏电容C_gd并联而成，对于软开关的应用（导通时，VCC对DS之间的电容进行充电，关断时，DS之间可以等效为ds之间的电阻和DS之间电容的并联，DS之间电容通过并联的ds之间的电阻放电，ds之间的电阻是随着GS之间的电压不断变化的），C_oss非常重要，因为它可能引起电路的谐振。

      C_rss：在源级接地的情况下，测得漏级和栅极之间的电容，反向传输电容等同于栅漏C_gd，反向传输电容也叫做米勒电容，对于开关的上升和下降时间来说是一个重要参数，还影响这关断延时时间。电容随着漏源电压的增加而减小，尤其是输出电容和反向传输电容。

      米勒效应：在MOS管开通过程中，GS电压上升到某一电压值后GS电压有一段稳定值，过后GS电压又开始上升直至完全导通。

      产生米勒效应的原因：V_GS到达阈值电压前，MOS管处于截止区,驱动电流ig为C_GS充电；V_GS大于阈值电压后，MOS管处于饱和区（V_GS-V_GS(th)<V_DS），V_GS到达米勒平台电压时，I_D已经达到系统所需的最大电流，根据转移特性Id=VgsGm，I_D和Vgs成比例变化,I_D不变化，V_GS也不变化，驱动电流I_D为C_gd充电，Vds开始下降，当Vds下降到Vgs-Vg(th)时，MOS管进入线性区，此时Vds的大小会由RdsId决定，驱动电流开始继续为Cgs和Cgd充电。而Vgs也开始恢复继续上升。MOS基本导通。mos管持续平台电压的时间越长，发热量越高。

      缓解平台电压的方法：Vgs越高越好，一般为正负20V；尽可能多的让栅极电压源输出最大电流

第二节 原理图

2.1 mos管的基本电路

      三通开关连接15V，大于Nmos管的阈值电压，mos管导通，源级的电压为15V，电机转动。但这时，由于330欧姆电阻的分压，mos管栅级的电压小于源级的电压，三极管关闭，MOS管不导通，所以N型mos管不能放在上端。

      导通后mos管的漏级电压为0V，马达转动。开关关断时，mos管中的电容会对地进行放电，当MOS管中的电容电压小于阈值电压时，MOS管关断，mos管的漏级电压为15V，马达两端没有压差，没有电流流过。

2.2 mos管的开通过程

      15V电源内阻很小时，15V的输出电源才无穷大，充电速度很快。

2.3 mos管的开通与关断

      输入信号的高电平为15V.

方案一：

      优点：放电快

      缺点：当信号为高时，不仅将MOS管的电容进行放电，而且R4支路也会放电，增加功耗。

      改进：增加R4电阻，但R4电阻增大后，栅极流过的电流变小，mos管的开通速度变慢。

方案二：

      限流电阻取6.8k：MMBT3906型三级管可以流过的最大电流约为200mA，放大倍数约为90倍，ib=2mA，一开通就是最大电流。

      优点：充电速度快导致MOS管发热小。

      缺点：mos管通过R1+R6进行放电。若减小R6，放电速度增加，但充电时，流过R1的电流减小，MOS管会从点速度减慢，且三极管的功耗增加。

方案三：综合方案一和方案二

      找缺点：1.功耗->上管开通的时候，下关关断，所有15V电源全部流入开关管，功耗很低。2.驱动mos管速度快。3.Q3管与Q4管可能存在串洪的风险。

      上管与下管可能存在串洪的风险：当输入信号为高电平时Q4关断。当输入信号为低电平时Q3关断。对模拟电路，我们要把分析重点放在中间态（低到高，高到低）。取中间态的输入电压为7.5V时，电路正常工作。取中间态的输入电压为1V时，Q2和Q5工作在放大状态，Q3和Q4导通，发生串洪。

      改进：

      电阻阻值的设置：MOS管最大能通过电流为200mA,ib电流达到2mA，所以电阻阻值设为6.8k。

      输入信号为高的时候，N型三极管导通，Cgs的电压一开始为0V，当Cgs充到14.5V时（考虑三极管Vce的电压），N型三极管关断，但当Cgs下降后，N型三极管仍然会导通。对P型三极管来说，B级的电压一直大于E级的电压，不流过电流，N型三极管一直保持截止状态。

      输入信号为低的时候，P型三极管的B级为0V，E级由于MOS管放电的原因，电压为15V，Q8导通，MOS管成功放电。因为当放电的时候N型三级管的B级电压小于E级电压，N型三极管一直不导通。

取中间态的输入电压为7.5V时：
      由低到高阶段：N型三极管导通，n型三极管E级电压约为7V，P型三极管不通。
      由高到低阶段：P型三极管导通，n型三极管E级电压约为14.5V，N型三极管不通。

取中间态的输入电压为1V时：
      由低到高阶段：N型三极管导通，n型三极管E级电压约为0.7V，P型三极管不通。
      由高到低阶段：P型三极管导通，n型三极管E级电压约为2V，N型三极管不通。

      我们将一只管子开通，一只管子截止的电路称为推挽电路。