从应用侧认识MOS管里面最常见的增强型NMOS管

说起MOS管，有些人的脑子里可能是一团浆糊。大部分的教材都会告诉你长长的一段话：MOS管全称金属氧化半导体场效应晶体管，英文名Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，属于绝缘栅极场效晶体管，以硅片为秤体，利用扩散工艺制作.......有N沟道和P沟道两个型。不仅如此，它还有两个兄弟，分别是结型场效应管以及晶体场效应管.......  

那本文呢，我想根据自己的工作学习经历，抛开书本上这些教条的框架，从应用侧出发来给大家介绍一下MOS管里面最常见的，也是最容易使用的一种：增强型NMOS管，简称NMOS。当你熟悉了这个NMOS的使用之后，再回过头去看这个教材上的内容，我相信就会有不同的体会了。  

NMOS的用法  

首先来看这么一张简单的图（图1），我们可以用手去控制这个开关的开合，以此来控制这个灯光的亮灭。  

图1  

那如果我们想要用Arduino或者单片机去控制这个灯泡的话，就需要使用MOS管来替换掉这个开关了。为了更加符合我们工程的实际使用习惯呢，我们需要把这张图稍微转换一下，就像如图2这样子。 

图2  

那这两张图是完全等价的，我们可以看到MOS管是有三个端口，也就是有三个引脚，分别是GATE、DRAIN和SOURCE。至于为啥这么叫并不重要，只要记住他们分别简称G、D、S就可以。   

图3  

我们把单片机的一个IO口接到MOS管的gate端口，就可以控制这个灯泡的亮灭了。当然别忘了供电。当这个单片机的IO口输出为高的时候，NMOS就等效为这个被闭合的开关，指示灯光就会被打开；那输出为低的时候呢，这个NMOS就等效为这个开关被松开了，那此时这个灯光就被关闭，是不很简单。  

那如果我们不停的切换这个开关，那灯光就会闪烁。如果切换的这个速度再快一点，因为人眼的视觉暂留效应，灯光就不闪烁了。此时我们还能通过调节这个开关的时间来调光，这就是所谓的PWM波调光，以上就是MOS管最经典的用法，它实现了单片机的IO口控制一个功率器件。当然你完全可以把灯泡替换成其他的器件。器件比如说像水泵、电机、电磁铁这样的东西。  

图4：PWM波调光  

如何选择NMOS  

明白了NMOS的用法之后呢，我们来看一下要如何选择一个合适的NMOS，也就是NMOS是如何选型的。  

那对于一个初学者来说，有四个比较重要的参数需要来关注一下。第一个是封装，第二个是Vgs(th)，第三个是Rds(on)上，第四个是Cgs。  

封装比较简单，它指的就是一个MOS管这个外形和尺寸的种类也有很多。一般来说封装越大，它能承受的电流也就越大。为了搞明白另外三个参数呢，我们先要来介绍一下NMOS的等效模型。

图5：NMOS等效模型  

MOS其实可以看成是一个由电压控制的电阻。这个电压指的是G、S的电压差，电阻指的是D、S之间的电阻。这个电阻的大小会随着G、S电压的变化而变化。当然它们不是线性对应的关系，实际的关系差不多像这样的，横坐标是G、S电压差。

图6：Rds与Vgs关系图  

纵坐标是电阻的值，当G、S的电压小于一个特定值的时候呢，电阻基本上是无穷大的。然后这个电压值大于这个特定值的时候，电阻就接近于零，至于说等于这个值的时候会怎么样，我们先不用管这个临界的电压值，我们称之为Vgs(th)，也就是打开MOS管需要的G、S电压，这是每一个MOS管的固有属性，我们可以在MOS管的数据手册里面找到它。

图7：MOS管数据手册  

显然，Vgs(th)一定要小于这个高电平的电压值，否则就没有办法被正常的打开。所以在你选择这个MOS管的时候，如果你的高电平是对应的5V，那么选3V左右的Vgs(th)是比较合适的。太小的话会因为干扰而误触发，太大的话又打不开这个MOS管。  

接下来，我们再来看看NMOS的第二个重要参数Rdson，刚才有提到NMOS被完全打开的时候，它的电阻接近于零。但是无论多小，它总归是有一个电阻值的，这就是所谓的Rds(on)。它指的是NMOS被完全打开之后，D、S之间的电阻值。同样的你也可以在数据手册上找到它。这个电阻值当然是越小越好。越小的话呢，它分压分的少，而且发热也相对比较低。但实际情况一般Rds(on)越小，这个NMOS的价格就越高，而且一般对应的体积也会比较大。所以还是要量力而行，选择恰好合适。  

最后说一下Cgs，这个是比较容易被忽视的一个参数，它指的是G跟S之间的寄生电容。所有的NMOS都有，这是一个制造工艺的问题，没有办法被避免。  

那它会影响到NMOS打开速度，因为加载到gate端的电压，首先要给这个电容先充电，这就导致了G、S的电压并不能一下子到达给定的一个数值。   

图8  

它有一个爬升的过程。当然因为Cgs比较小，所以一般情况下我们感觉不到它的存在。但是当我们把这个时间刻度放大的时候，我们就可以发现这个上升的过程了。对于这个高速的PWM波控制场景是致命的。当PWM波的周期接近于这个爬升时间时，这个波形就会失真。一般来说Cgs大小和Rds(on)是成反比的关系。Rds(on)越小，Cgs就越大。所以大家要注意平衡他们之间的关系。

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