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场效应管有两种主要类型，分别是金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）和结型场效应管（JFET）。在开关电路、Boost电路、Buck电路和Buck-Boost电路等的应用中，主要应用了金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）。虽然两种类型的管子在特性曲线上有所不同，但是其原理是一样的，为便于说明，在进行原理说明时，图示部分以FET来表示。 场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。场效应管是三端器件，与BJT相对应，它也有三个电极，分别是栅极G、漏极D和源极S。MOSFET可以被制造成增强型或耗尽型、P沟道MOSFET和N沟道MOSFET，N沟道MOS管的结构及电路符号如图7-38所示，P沟道MOS管的结构及电路符号如图7-39所示。实际应用的管子主要是增强型的N 沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管。
图7-38N沟道MOS管（N-MOSFET）
图7-39P沟道MOS管（P-MOSFET） 对于场效应管，可以与BJT进行对应理解。场效应管的栅极G与BJT三极管的基极B对应；场效应管的漏极D与BJT的集电极C对应；场效应管的源极S与BJT的发射极E相对应，如图7-40所示[33]。虽然MOSFET与BJT的工作原理不同，但两个管子的对应理解，能够对理解MOSFET的工作过程有一定的帮助。
图7-40BJT对应场效应管 场效应管FET的放大原理[32]如图7-41所示，FET的输入信号通过器件输出，FET吸收此时输入信号的振幅信息，由电源重新产生输出信号。由于该输出信号比输入信号大，所以可以看成将输入信号放大而成为输出信号，这就是FET的放大原理。
FET的内部工作原理就是：FET对加在栅极G和源极S之间的电压不停地监视，控制漏极D 和源极S之间的电流源，使漏极D和源极S之间流动的电流与栅极G的电压成正比。FET的内部工作原理[32]如图7-42所示，即FET是由加载在栅极上的电压来控制漏极-源极之间电流的器件。为了使FET工作，设计外部电路使栅极-源极间加上电压即可。 对于FET的理解，也可以用水龙头的工作进行类比，如图7-43所示。FET的漏极D可以看成水龙头的进水口；源极S可以看成水龙头的出水口；栅极G可以看成水龙头的开关。在使用水龙头时，转动开关G，当向右转动时，水流会慢慢增大，向右转到最大位置时，水流最大，此时开关G无法再向右旋转，对应FET的饱和区；当向左旋转开关时，水流会逐渐减小，当向左旋转到底时，此时水流为0，对应FET的截止区。因此，当开关G在最左侧时，对应FET的截止模式，在最右侧时对应FET的饱和模式，在中间位置时对应FET的“放大模式”。这样就很好理解了，其实FET并没有起到放大的作用，一直以来所谓的放大都是被误解了。从上面的讨论中，我们知道，为了让FET能够工作，需要在栅极G和源极S之间加载驱动电压。在水龙头的开关操作中，需要去旋转这个开关，旋转开关时，需要向右旋转，这个向右旋转就相当于是告诉水龙头，我要放水了，这个向右的动作就相当于是在栅极和源极之间加上电压，两者都有一个方向上的动作。
在电路设计中主要应用的是增强型的NMOS管和增强型的PMOS管，这两种增强型MOS 管中比较常用的是NMOS，原因是NMOS的导通电阻小且容易制造。因此在开关电源和马达驱动的应用中，一般采用NMOS。在MOS管内部，漏极和源极之间会寄生一个二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达）时，这个二极管很重要，并且只在单个MOS管中存在此二极管，在集成电路芯片内部通常是没有的。MOS管的三个引脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路时要麻烦一些，但没有办法避免。 MOS管的导通特性在电路设计中经常用到，导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。NMOS的特性：Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到一定电压（如4V或10V，其驱动电压需要查阅Datasheet）就可以了。PMOS的特性：Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。虽然PMOS可以很方便地用于高端驱动，但由于其导通电阻大、价格贵、替换种类少等原因，在高端驱动中通常还是使用NMOS。在高端驱动中使用NMOS时，一般源极会接一定电压值的电源或负载，此时需要栅极驱动电压高于源极一定的数值。 从MOS管的结构中可以看到，在GS和GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供的瞬间短路电流的值。普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS 管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同，因此这时栅极电压要比VCC大（4V或10V，门限电压可以查阅Datasheet）。如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动MOS管。 如何进行MOSFET的选型呢？对于MOSFET的特性，在Datasheet中都有详细的定义，如表7-8所示是k0389dpa MOSFET的部分参数。为对MOSFET进行精确的选型，需要对MOSFET 的参数精确把握，只有明白了MOSFET各个参数的含义才能够根据设计的需要选定合适的MOSFET。 表7-8k0389dpa MOSFET的部分参数
MOSFET的参数含义如下: Vds：DS的击穿电压。当Vgs=0V时，MOS的DS所能承受的最大电压。 Rds（on）：DS的导通电阻。当Vgs=10V时，MOS的DS之间的电阻。 Id：最大DS电流，会随温度的升高而降低。 Vgs：最大GS电压，一般为-20～+20V。 Idm：最大脉冲DS电流，会随温度的升高而降低，体现出一个抗冲击能力，与脉冲时间也有关系。 Pd：最大耗散功率。 Tj：最大工作结温，通常为150°和175°。 Tstg：最大存储温度。 Iar：雪崩电流。 Ear：重复雪崩击穿能量。 Eas：单次脉冲雪崩击穿能量。 BVdss：DS击穿电压。 Idss：饱和DS电流，μA级的电流。 Igss：GS驱动电流，nA级的电流。 gfs：跨导。 Qg：G总充电电量。 Qgs：GS充电电量。 Qgd：GD充电电量。 Td（on）：导通延迟时间，从输入电压上升到10％开始到Vds下降到其幅值90％的时间。Tr：上升时间，输出电压VDS从90％下降到其幅值10％的时间。 Td（off）：关断延迟时间，从输入电压下降到90％开始到VDS上升到其关断电压10％时的时间。 Tf：下降时间，输出电压VDS从10％上升到其幅值90％的时间。 Ciss：输入电容，Ciss=Cgd + Cgs。 Coss：输出电容，Coss=Cds +Cgd。 Crss：反向传输电容，Crss=Cgc。 在电路设计中，一般BJT会配合MOSFET来实现MOSFET漏极和源极之间的导通和闭合。BJT 管子常用的有NPN型和PNP型，MOSFET常用的类型是增强型的NMOS和增强型的PMOS，因此在BJT和MOSFET配合使用时，会有如下4种组合方式：NPN型BJT+增强型PMOS、PNP 型BJT+增强型PMOS、NPN型BJT+增强型NMOS和PNP型BJT+增强型NMOS。 1．NPN型BJT+>增强型PMOS NPN型BJT+增强型PMOS适用于控制信号是高电平时。MOS管导通的控制电路如图7-44所示。PMOS的源极S接Input信号端，漏极D接电路后面的负载。一般在电源控制电路中，Input为某一电平的电源（如5V、12V），Output是另一个需要时序控制的电源，当作为电源时序控制时，Input和Output都是负载的供电电源，电平值是相同的，只是Output是否有电源的供应是受Enable信号控制的。在很多电子系统有上电时序控制的电路中，此电路得到了广泛的应用。
图7-44NPN型BJT+增强型PMOS控制电路 该电路的工作流程是：当Enable控制信号为低电平时，此时Q1的基极B和发射极E 之间的二极管处于关断状态，基极B和发射极E之间没有电流的流动，根据之前对BJT电路的理解知道，此时Q1 NPN型三极管的集电极C和发射极E处于断开的状态。因为Q1的集电极C（同时也是PMOS的栅极G）通过100k1的电阻R1上拉到Input高电平信号或电源，此时集电极C（栅极G）是高电平，Vgs≮0，根据PMOS导通的特性，此时PMOS处于关断状态，Output端没有信号输出。当Enable控制信号为高电平时，三极管Q1的基极B和发射极E之间的二极管导通，基极B和发射极E之间有电流的流动，此时Q1的集电极C和发射极E处于导通状态，从而将集电极C的电平拉低，集电极C（也是栅极G）的电位是0V，Vgs＜0，根据PMOS导通的要求，此时PMOS导通，Output与Input连通。当U1 PMOS导通后，因为是PMOS的原因，所以电源的传递方向是从源极S到漏极D（如果是NMOS，电流的方向是从漏极D流向源极S），当MOS管工作时，不管是PMOS还是NMOS，电流流动的方向都必须与体二极管的方向相反。对于PMOS来说，如果电流流动的方向是从漏极D→源极S，则电流会直接从体二极管的正极流向体二极管的负极，PMOSFET中的体二极管处于导通状态，PMOS作为开关就失去作用了。因此PMOSFET在作为开关管使用来控制电源时，源电源必须接在PMOSFET的源极S端，后续接通的电源必须接在PMOSFET的漏极D端。因为对于PMOS管的驱动，当Vgs＜0时，PMOS导通，所以需要控制栅极的驱动电平就可以了。 电路中的R1是必不可少的，如果没有R1，则PMOS的栅极状态不确定，可能为低电平，PMOS 会导通；R4是用来保证Q1在默认状态下是不导通的，当Enable有确定状态时，R4可以去掉，若为高阻态，则R4必须要有；R3用来限制基极的电流（基极电流一般都很小）；C1和R2构成延时电路，减缓驱动MOS栅极时的瞬态电流，有效地保护MOS管。 2．PNP型BJT+增强型PMOS PNP型BJT+增强型PMOS适用于控制信号为低电平时。PMOS开关导通的控制电路如图7-45所示。
图7-45PNP型BJT+增强型PMOS控制电路 该电路的工作流程如下：当Enable信号为高电平时，Q2的发射极E和基极B之间的二极管没有导通，发射极E和基极B之间没有电流的流动，三极管Q2的发射极E和集电极C 处于断开状态，此时发射极E通过R2和R1上拉到Input（高电平状态），PMOS处于关断状态；当Enable控制信号为低电平时，Q2的发射极E和基极B之间的二极管导通，发射极E 和基极B之间有电流流过，三极管Q2的发射极E和集电极C之间导通，将发射极E的电平拉低，从而使得PMOS的栅极电位是0V，此时符合Vgs＜0的PMOS导通条件，PMOS导通，电流从Input端流向Output端。 PNP型BJT+增强型PMOS的其他部件和注意事项与NPN型BJT+增强型PMOS类似。 3．NPN型BJT+增强型NMOS 当采用NPN型BJT+增强型NMOS时，如图7-46所示，一般会想到因为要将栅极的电压与源极进行比较，所以要将源极接Input端，栅极接Input+Vgs端，利用这种方式去驱动。此时会发现Vgs＞0，满足驱动NMOSFET管导通的条件，但是NMOS的电流方向是从源极S流向漏极D的。即使是不控制NMOS的栅极，此电路中NMOS的源极和漏极也是导通的，根据NMOS的特性，在源极S和漏极D之间有一个体二极管，体二极管的正极接源极S，负极接漏极D，在源极S加电压的情况下，NMOS已处于导通状态，再去控制NMOS的栅极已没有意义。
图7-46NPN型BJT+增强型NMOS控制电路 因此对电路进行更改，改变输入/输出的方向，如图7-47所示，此时NMOS的漏极D作为信号的输入，源极S作为信号的输出，但此时有个问题，就是源极的电平不定，不知道Output的电平值，从而不好确定栅极的驱动电压。MOSFET的驱动是要在门极（栅极）和源极间有足够的电压，在一般的电路中，MOSFET的源极接在系统的地上，则驱动电压只要是相对于系统地的电压就可以用来驱动MOSFET。但是在这种情况下，MOSFET的源极并没和系统地接在一起，这就意味着源极的电压可能是变化的。但是要驱动MOSFET，其栅极和源极间电压要求是一定的，因此这时MOSFET的驱动电压就需要是一个和源极一起变化的电压。这个驱动电压就需要采用MOSFET的自举驱动电压或通过集成电路来进行控制，如IR210X 系列的驱动芯片等。
图7-47更改后的NPN型BJT+增强型NMOS控制电路 有一种例外的情况，需要采用更改后的NPN型BJT+增强型NMOS控制电路来进行控制：当栅极驱动电压可以确定比源极输出的电压高时，就不需要复杂的栅极驱动电路了。例如，某电路中，Vgs+Output=12V，Input=3.3V。该电路的工作流程如下：在上电的一瞬间，Input 漏极的电压是3.3V，此时因为后接负载（负载由许多由3.3V供电的IC组成）的原因，在上电最早一瞬间，可以理解为NMOS的源极S通过一个非常大的电阻接GND了，那么此时的源极电位是0V，CTRL加载高电平控制信号，Input+Vgs=12V，根据NMOS的导通条件知当Vgs＞0时，会导通，此时Vgs=12V＞0，则NMOS管会导通，导通后，NMOS管的源极电位会发生变化，由刚上电瞬间的0V变为3.3V，此时因为Vgs=12V-3.3V=8.7V＞0V，完全满足NMOS导通的条件，所以导通后电流的工作方向是从漏极D流向源极S的，符合NMOS作为开关管使用时的条件，此时电流从体二极管的负极流向体二极管的正极。 4．PNP型BJT+增强型NMOS 采用PNP型BJT+增强型NMOS时，电路如图7-48所示，此时也会出现与NPN型BJT+增强型NMOS同样的情况，即NMOS的体二极管处于导通状态，NMOS起不到开关的作用，此时需要对应的将电路更改，更改后的电路如图7-49所示。PNP型BJT+增强型NMOS的驱动与NPN型BJT+增强型NMOS类似，可以参考NPN型BJT+增强型NMOS的栅极驱动方式。
图7-48PNP型BJT+增强型NMOS控制电路
图7-49更改后的PNP型BJT+增强型NMOS控制电路 对于MOS电路在电源中的应用，很多时候也会采用NMOS+PMOS的形式，如图7-50所示。当Enable控制端输出高电平时，Q27的栅极-源极间的电压Vgs=3.3V＞0V，满足NMOS 管导通的工作条件，此时NMOS的漏极D与源极S导通，电流从漏极D流向源极S，Q26的栅极电位被拉低，其栅极和源极电压Vgs=-5V＜0，符合PMOS导通的条件，此时Q26的源极S和漏极D导通，电流从+5V流向VCC5B，从而控制VCC5B获得5V电压；当Enable控制端输出低电平时，Q27的栅极-源极间的电压Vgs=0V，不符合NMOS管导通的条件，此时Q27漏极为高电平，从而使得Q26的栅极也为高电平，Q26处于关断状态，VCC5B没有电源的供给。
图7-50增强型NMOS+增强型PMOS控制电路 对于NMOS和PMOS的驱动总结如下。 ①NMOS高端驱动：MOS管可以用来控制电源的上电时序，使一端从另一端获得电流，当电路中的电流很大时，如10A，因为同性能的NMOS的导通电阻小于PMOS，所以此时电源的驱动电路一般都是采用NMOS来驱动的，应用NMOS时，需要工作在体二极管反向的条件下，此时NMOS的漏极D接外电源，源极S接电路负载，需要确定导通后栅极的驱动电压高于负载的供电电压，维持Vgs＞NMOS驱动的门限电压。 ②NMOS低端驱动：NMOS用于低端驱动时，NMOS的源极接地，此时只要在栅极加载一定的驱动电压，就可以驱动NMOS的漏极和源极导通了。 ③PMOS高端驱动：PMOS用于高端驱动时，源极接外接电源，漏极接后续负载，控制栅极的电位，当栅极电位为低电平0V时，PMOS导通。PMOS具有较大的导通电阻，价格比NMOS贵。 MOS管具有正的温度系数，即当温度升高时，导通阻抗会逐渐变大，如图7-51所示；而BJT管子具有负的温度系数，即当温度升高时，导通电阻会变小。MOS管的这一特性适合并联电路中的均流，因此当电路中的电流很大时，一般会采用并联MOS的方法来进行分流。
图7-51MOS导通电阻随温度的变化曲线 采用MOS进行电流的均流，当其中一路电流大于另一路MOS中的电流时，电流大的MOS产生的热量就会多，从而引起导通阻抗的增大，减小流过的电流。MOS管之间根据电流大小的不同来反复调节，最后可实现两个MOS管之间电流的均衡。如图7-52所示是采用2个MOS管并联实现的电流均衡。采用2个MOS管并联时，在电路上的布局要完全一致，2个MOS管打的散热过孔数量一致、布局位置一致且2个MOS管采用同一个散热片，总之，原则就是尽量让2个MOS管的工作环境一致。
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