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MOSFET 作为四端元件在线性稳压器里的应用

2021/10/29
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进入立锜以前虽然已经工作了十几年,但我一直不懂模拟电路,更不知道 MOSFET 是个四端元件,第一次听说这个概念还是第一次去中国台湾新竹总部出差的时候,一位早已认识的 RD 人员和我聊起 RT9701,这颗 IC 似乎是那时市场上唯一可以避免电流倒灌的电子开关,而他就是这颗 IC 的设计者,我当时和他聊的是看能否设计一颗新的器件,但所有聊天的细节到现在还记得的就是 MOSFET 是个四端元件的信息,其他的一概都成了过往云烟。
关于 MOSFET,百度百科的词条里有这样的内容:

图1(指上图,源自百度百科,与本段文字同源)是典型平面 N 沟道增强型 NMOSFET 的剖面图。它用一块 P 型硅半导体材料作衬底,在其面上扩散了两个 N 型区,再在上面覆盖一层二氧化硅 (SiO2)绝缘层,最后在 N 区上方用腐蚀的方法做成两个孔,用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极:G (栅极)、S(源极)及 D(漏极),如图所示。从图 1 中可以看出栅极 G 与漏极 D 及源极 S 是 绝缘的,D 与 S 之间有两个 PN 结。一般情况下,衬底与源极在内部连接在一起,这样,相当于 D 与 S 之间有一个 PN 结。
这段描述的最后一句话所陈述的事实对于它被我们理解为三端元件有很重要的作用,“衬底与源极在内部连接在一起”指的是我们看到的 MOSFET 单管的内部情况,它表现在上图中就是从 S 源极连接到衬底 P 部的那条线,到了变成原理图上的符号时已经不那么突出了,而“相当于 D 与 S 之间有一个 PN 结”的影响却表现得很充分,非常明确地在提醒我们这个二极管的作用。

(此图源自百度百科)
借助这个 PN 结二极管的作用,即使处于关断的情况下,电流也能从 N-MOSFET 的 S 极流向 D 极、从 P-MOSFET 的 D 极流向 S 极。
现今的绝大部分低压差线性稳压器采用 N-MOSFET 或 P-MOSFET 作为电压调整管,其电路结构图如下面两图所示:

(此图源自 RT9085A 规格书)

(此图源自 RT9078 规格书)
它们的共同特性是都有一个体二极管存在于 VOUT 和 VIN 之间,当输出端电压高于输入端电压并能使该二极管导通时便会有电流经过它从输出端倒灌到输入端。
另一种线性稳压器则把调整管当作四端元件来处理,调整管的衬底与其源极之间没有直接连接,只要管子处于关断状态,即使输出端的电压比输入端电压高了许多也不会有倒灌电流产生,它们的电路结构如下面的图形所示:

(此图源自 RT9048A 规格书)

(此图源自 RTQ2531W 规格书)
在将 MOSFET 当作四端元件处理而阻断了体二极管的倒灌现象以后,虽然不会有关断情况下的倒灌电流产生,但如果调整管处于导通状态而输出端的电压又高于输入端的电压了,这种状况仍然会产生倒灌电流,因为 MOSFET 在导通状态下的电流是可以双向流动的,所以需要避免电流倒灌的器件就有对输入、输出电压进行比较的检测措施,只要发现输出端电压已经高于输入端电压了,它就会立刻将调整管切换到关断状态,避免了倒灌现象的发生。
有心的读者应该还记得我们前段时间介绍过一个型号为 RT9072 的高压线性稳压器,它的调整管是双极晶体管,同样具有防倒灌作用,但其作用机制就与上述方式完全不同,是由双极晶体管本身的特性来实现的,现在给出它的内部结构图以供参考。

同样的功能,不同的设计可以采用不同的方法,这个世界就是那么奇妙,我觉得这样真的很好玩。

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