MOSFET-集成电路中的最基本元器件以及限流开关的妙用-搜狐

　　用于USB端口的限流保护开关

　　毕业之后第一份工作是芯片（chip）逆向设计，学习了最基本的MOSFET的结构原理，其参数模型，仿真模型，感觉对理解MOS管的工作原理有很大帮助，之前大学学习MOS管那一章节的知识时，没有真正理解为什么NMOS管有那些特性。现在工作公司主要做电路保护器件，第一个熟悉的产品就是限流开关，英文一般叫做Current limit switch。现在对这款器件很熟悉，简要介绍一下，其实这款器件内部就是集成了一个PMOS开关管（当然其主要电路不止一个MOS这么简单），MOS管也算是集成电路当中最基本元器件了。我先介绍一下这款器件的主要用途和其工作原理，再讲讲MOSFET的基本知识。

　　这款器件主要用于USB端口的过流和短路保护，能有效防止因外部短路造成的USB接口的烧坏情形，有统计表明，数码产品失效有超过40%跟USB接口有关系，出现不良比较多的是USB接口死机，USB接口烧坏等等，究其原因，主要是过流损坏以及静电损坏。

　　图1

　　为什么要在USB接口处进行过流保护呢？如图1所示，USB相关规范规定的USB主机的VBUS引脚为下游设备提供标准5V电压(允许5%的误差，即4.75~5.25V)，实际应用中，外部设备的线缆在接口处反复插拔，电流在这里通通断断，尤其热插拔大的容性负载的时候，会引起端口数十安培的浪涌电流；接口处也有可能因为进入异物导致短路。出现这两种情形，轻则导致USB接口处线缆被烧坏，重则烧坏后端控制芯片。因此，需要对USB接口进行限流保护。

　　传统的PTC保护方案

　　图2

　　如图2所示，传统的保护方案是在VBUS线上串联一个可恢复保险丝（PTC）。PTC的缺点有: 断开时间慢、导通电阻大、过流点不精确、环境温度影响大。可恢复保险丝（PTC）在经历过一次断开保护或处于高温环境下，如波峰焊后，其电阻可能永久性的增加。与之相比，使用限流开关的方案就有许多优点，器件内部集成的MOS管是PMOS，具有比较低的导通电阻，只有80毫欧姆左右，低的导通电阻有利于减小落在器件本身的压降，使USB端口输出电压能够符合标准。

　　应用很简单，如图3所示，

　　图3

　　下游设备与USB接口连接，设备电源由VBUS 提供，当设备短路或发生过流故障时，通过限流开关可及时使VBUS 输出限流，并使故障输出标志位输出一个低电平信号。这就避免了由于电源过载从而可能导致的系统瘫痪和产品不能正常工作。另外，微处理器通过对故障标志位的检测，可进行故障告警等处理措施，有利于故障定位、系统状态显示等操作。当然，利用限流开关的使能管脚EN，可非常方便的对设备进行配电管理。在一些应用中，下游设备即使在待机状态其漏电流也相对较高，有的可达几十μA甚至数mA，若通过EN管脚关闭VBUS的供电，此时关断电流小于1μA，这将极大地节省功耗，这在电池供电产品中非常有利，可有效延长电池使用时间。

　　学过微电子学的对MOS管应该都不陌生，金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的**场效晶体管（field-effect transistor）**。MOSFET依照其“通道”（工作载流子）的极性不同，可分为“N型”与“P型” 的两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其基本原理还是利用半导体材料的性质做成的开关器件，电脑的CPU就是由很多很多的场效应晶体管组成，下图4是其电路符号，图5是其结构原理图。

　　图4

　　图5

　　集成芯片就是在一块硅片上通过光刻，腐蚀等各种复杂工艺一步一步做出许多这样的最基本的结构，最终通过金属连线连接成复杂电路的。可以说，MOSFET是集成电路里面最基本的元器件，数亿只晶体管协同工作，通过开或关两种状态，组成二进制的1或0，这就是为甚其实电脑的核心CPU处理的最基本的数据是二进制的原因。

　　MOSFET的工作原理要当一个够大的电位差施于MOSFET的栅极与源极（source）之间时，电场会在氧化层下方的半导体表面形成感应电荷，而这时所谓的“反型层”（inversion channel）就会形成。通道的极性与其漏极（drain）与源极相同，假设漏极和源极是N型，那么通道也会是N型。通道形成后，MOSFET即可让电流通过，而依据施于栅极的电压值不同，可由MOSFET的通道流过的电流大小亦会受其控制而改变。看图6，图7可以直观看出其原理。