当选用MOS管做开关,我们在设计时有时候只会考虑VGS的电压要高于Vth,而忽略VDS端的负载需要多少电流才能满足VDS电压趋近于0,特别是在选用一些需要高VGS电压才能满足输出负载时,忽略VGS的电压,往往得不到我们想要的实用结果,本文通过LTSPICE这个软件来对这个现象进行仿真。
LTSPICE是ADI开发的模拟电路的有力工具。它可以执行简单的模拟来验证新设计的功能。该工具还在短时间内完成复杂的分析,如最坏情况分析、频率响应或噪声分析等。可直接在ADI官网下载正版进行安装应用,LTSPICE安装简单,操作方便,功能强大,是一款不可多得的仿真工具。本文通过LTSPICE工具来仿真设计MOSFET电路。
以NMOSFET管为例,MOSFET管有三个工作区,截至区,变阻区,饱和区(恒流区),其对应的条件分别为:
Vgs<Vth;Vgs>Vth同时Vgs-Vth>Vds;Vgs>Vth同时Vgs-Vth<Vds,类比于三极管不同的是三极管的饱和区对应的MOSFET管的变阻区,自己以前也习惯将MOSFET管的变阻区称为饱和区,其实是不对的。
下面通过LTSPICE对MOSFET的这几个工作区域进行仿真。以英飞凌的BSC011N03LS为例,在LTSPICE中搭建电路:
对照datasheet可以看出在常温25°条件下,Vth的值为2V左右,仿真取Vgs极限值2V,测试D极电压(LTSPICE默认是常温25度的环境),仿真结果如下:
可以看出VDS电压为12V,MOSFET完全未导通。
增加VGS电压为2.5V,重新测试VDS电压,仿真结果如下:
VDS电压约为11.7V左右,此时VGS>Vth=2v,VGS-Vth<VDS
从电路图中可以看出,R1的阻值为40毫欧姆,若要MOSFET处于变阻区,就需要VGS-Vth>VDS, 通常我们希望VDS压降越小越好,最好是接近0V,通过计算,12v/40mΩ=300A,对应MOSFET管的曲线:
从曲线中可以看出常温25°下,若要IDS的电流为300A,VGS的电压至少需要达到3.2V,但是此时VDS压降还是达到了1V左右,我们先进行仿真:
VDS电压接近1v,此时MOSFET已经进入变阻区,但是我们希望VDS的电压是越小越好,因此,我们增加VGS的电压为趋近5V,仿真结果如下:
VDS电压达到了0.3V左右,符合datasheet中的数值,但是VDS仍然有0.3V的压降,加上大约300A的电流,会产生90W的功耗。因此还需要选择更低可以满足300A同时VDS压降更低的MOS管。
总结:在选用MOSFET管时,我们要根据输出负载的大小来选择低VDS电压的MOSFET管,特别是当我们输入电压较小时,更加要注意这一点。