一、MOS管：米勒效应、开关损耗以及参数匹配
MOS管即场效应管（MOSFET），属于压控型，是一种应用非常广泛的功率型开关元件，在开关电源、逆变器、直流电机驱动器等设备中很常见，是电力电子的核心元件。
MOS管有N沟道和P沟道之分，N沟道相当于NPN的三极管；P沟道相当于PNP的三极管。实际设计及应用中，N沟道MOS管占绝大多数，所以下面以N沟道MOS管为例进行讲解（如图1中Q3，栅极-G；漏极-D；源极-S）。
MOS管的使用通常可以分为以下两种情形：
①参与普通的逻辑控制
和三极管一样作为开关管使用，电流可达数安培，如下图为MOS管驱动直流电机电路。R6下拉电阻是必须的（取值一般10--20k），原理和NPN三极管下拉电阻一样；原理下面~ 下三极管的应用电路。
此类应用的MOS管Vgs电压大于门槛电压4.5V（又叫平台电压）即可正常使用。小功率的逻辑控制本人还是选择使用三极管。
②参与PWM控制
例如~浅析PWM控制电机转速的原理，桥式驱动电路以及开关电源电路等应用广泛。
如下图为有刷直流电机桥式驱动电路，G1、G2、G3、G4为推挽PWM控制，VS1、VS2接电机，可实现大功率直流电机调速，正反转控制。此类应用的MOS管Vgs电压大于10V，通常使用12V（为保证导通深度，PWM的幅值为12V）。且G极的电阻必须是小电阻通常取4.7--100Ω，与电阻并联一个反向二极管，目的是保证MOS管的关断速度比导通速度快，防止上桥与下桥直通短路。
彻底了解MOS管，从以下两点入手：
- 什么是米勒效应，米勒效应下为什么会有Vgs平台电压
- MOS管的开关损耗、导通损耗、续流损耗
如下图所示，G极与D极存在极间电容Cgd，G极与S极存在极间电容Cgs，当G极有高电平信号时，电容Cgs充电到门槛电压4.5V时，DS极开始导通，D极电平下降趋近于0V，此过程电容Cgd开始充电，使G极电压在短时间内保持在4.5V，这就是米勒效应。
该门槛电压Vgs就是MOS管的平台电压；该平台电压的在MOS管开通和关断期间都存在，其宽度与G极电阻有直接的关系。
如下图为G极电阻为10Ω时MOS管开通的波形，红色代表Vgs的电压波形，蓝色代表Vds的电压波形。平台电压的宽度很窄（黄色箭头），在平台电压下DS极间是变阻区，Vds很窄（绿色箭头）。
如下图为G极电阻为100Ω时MOS管开通的波形，平台电压的宽度变宽明显（黄色箭头），在平台电压下DS极间是变阻区，Vds变缓（绿色箭头）。
如下图为G极电阻为200Ω时MOS管开通的波形，平台电压的宽度变宽更明显（黄色箭头），在平台电压下DS极间是变阻区，Vds变缓更大（绿色箭头）。
如下图为G极电阻为200Ω时MOS管关断的波形，同样有平台电压的存在。
MOS管的损耗意味着发热，要使MOS管正常工作，必须了解各种损耗，如下图。
开关损耗分为MOS管的开通损耗和关断损耗，G极电阻的大小决定了开通和关断的速度，该电阻越大开关损耗越大；
导通损耗取决于DS极间导通后的等效电阻Rds(on)，该电阻越大导通损耗越大；
续流损耗指的是S极到D极间的正向二极管的损耗，该损耗通常不考虑（本文略）。
如下图，对MOS管的选型，主要参数都会在前面直接给出（红框内），DS极耐压（Vdss）通常选择工作电压的1.5--2倍；漏极电流（Id）通常选择工作电流的5--10倍；Rds(on)尽量越小越好。另外G极的Vgs电压范围是±20V以内，几乎所有的MOS管都如此。
小结
- MOS管的开关损耗跟设计有直接的关系，缩短导通和关断时间可有效降低开关损耗
- 驱动MOS管的推挽电路很多都已集成在驱动芯片内部，输出能力很强，通常电流可达1A
1.1、下三极管的应用电路
三极管有三个工作状态：截止、放大、饱和，放大状态很有学问也很复杂，多用于集成芯片，比如运放，现在不讨论。
其实，对信号的放大我们通常用运放处理，三极管更多的是当做一个开关管来使用，且只有截止、饱和两个状态。
截止状态看作是关，饱和状态看作是开。
Ib≥1mA时，完全可以保证三极管工作在饱和状态，对于小功率的三极管此时Ic为几十到几百mA，驱动继电器、蜂鸣器等功率器件绰绰有余。
三极管电路举例
把三极管箭头理解成一个开关，如下图为NPN型三极管，按下开关S1，约1mA的Ib流过箭头，三极管工作在饱和状态，c极到e极完全导通，c极电平接近0V(GND)，负载RL两端压降接近5V。
Ib与Ic电流都流入e极，根据电流方向，e极为低电平，应接地，c极接负载和电源。
如下图为PNP型三极管，按下开关S2，约1mA的Ib流过箭头，三极管工作在饱和状态，e极到c极完全导通，c极电平接近5V，负载RL两端压降接近5V。
Ib与Ic电流都流出e极，根据电流方向，e极为高电平，应接电源，c极接负载和地。
如下图NPN三极管，对于NPN三极管更应该在b极加一个下拉电阻，一是为了保证b、e极间电容加速放电，加快三极管截止；二是为了保证给三极管b极一个已知逻辑状态，防止控制输入端悬空或高阻态时对三极管工作状态的不确定。
如下图是PNP三极端，对于PNP三极管，更应该在b极加一个上拉电阻，原理同上。
下图NPN三极管，对于感性负载，必须在负载两端并联一个反向续流二极管，因为三极管在关断时，线圈会自感产生很高的反向电动势，而续流二极管提供的续流通路，同时钳位反向电动势，防止击穿三极管。
续流二极管的选型必须是快恢复二极管或肖特基二极管，两者响应速度快。
如下图的NPN三极管，对于某些控制信号为低电平时，可能并不是真正的0V，一般在1V以内，为保证三极管完全截止，不得不在三极管b极加一个反向稳压管或正向二极管，以提高三极管导通的阈值电压。
根据个人经验，推挽输出的数字信号不用加，OC输出、二极管输出以及延时控制有必要加，通常稳压管正常的工作电流≥1mA。
下图是用三极管实现继电器的延时控制的例子。
为三极管延时导通，快速关断的一个仿真电路，D1、R2、C1、D2构成延时导通Q2的回路，C1的电压为12V的时候Q2导通，R3、Q1、R4、R1构成快速关断Q2的回路，C1通过R3和Q1快速放电。
要点
- 对于NPN三极管，在不考虑三极管的情况下，b极电阻与下拉电阻的分压必须大于0.7V，PNP同理。
- b极电流必须≥1mA可保证三极管处于饱和状态，此时Ic满足三极管最大的驱动能力。
- 另外，对于三极管的放大倍数β，指的是输出电流的驱动能力放大了β，比如100倍，并不是把输出电流真正的放大了100倍。
1.2、浅析PWM控制电机转速的原理
经常使用的直流电机原理就是电生磁：通电导线会产生磁场。
也就是电磁感应 旋转磁场带动转子转动。
电动机是由定子和转子组成，一个产生旋转磁场，一个为磁极，电机的转子(轴承)就转起来了。
这便实现了电能->磁能->机械能的转换。
下面这个图可以更直观的理解：
PWM原理
关于PWM的原理请参照~PWM原理及其应用。
通过上文大概知道，通过PWM控制电机速度，实际上是控制供电电流的大小来实现。
通电导线在磁场中受到的力称为安培力，而安培力的公式：F=BIL。
其中，F是受力大小，I是电流大小，L是导线长度。在其他条件不变的情况下，控制其通过的电流即控制安培力的大小。
电机的电阻R 是基本不变的，那么电流 I = U/R，F= BLU/R。
在R B L不变的情况，控制安培力的大小，本质就是修改供电电压的大小。
我们也就知道，控制电机转速的本质就是给电机供不同的供电电压，电压越大，电机转速越快。
而PWM的本质就是脉宽调制，通过输出不同的占空比，从而将直流电压转换成不同电压值的模拟信号。
控制电机速度
占空比可以实现对电机转速的调节，我们知道，占空比是高电平在一个周期之中的比值，高电平的所占的比值越大，占空比就越大，对于直流电机来讲，电机输出端引脚是高电平电机就可以转动，当输出端高电平时，电机会转动，但是是一点一点的提速，在高电平突然转向低电平时，电机由于电感有防止电流突变的作用是不会停止的，会保持这原有的转速，以此往复，电机的转速就是周期内输出的平均电压值，所以实质上我们调速是将电机处于一种，似停非停，似全速转动又非全速转动的状态，那么在一个周期的平均速度就是我们占空比调出来的速度了。
总结
在电机控制中，电压越大，电机转速越快，而通过PWM输出不同的模拟电压，便可以使电机达到不同的输出转速。
当然，在电机控制中，不同的电机都有其适应的频率 频率太低会导致运动不稳定，如果频率刚好在人耳听觉范围，有时还会听到呼啸声。频率太高的电机可能反应不过来，正常的电机频率在 6-16kHZ之间为好。
输出的电压就不同，电机转速就不同。那我们可以知道，通过滑动变阻器或者更换不同电压的电源都可以实现电机的调速，但是在实际应用中显然PWM更方便些。
专业一点的话就是：
所谓PWM就是脉宽调制器，通过调制器给电机提供一个具有一定频率的脉冲宽度可调的脉冲电。脉冲宽度越大即占空比越大，提供给电机的平均电压越大，电机转速就高。反之脉冲宽度越小，则占空比越越小。提供给电机的平均电压越小，电机转速就低。
1.3、PWM原理及其应用
什么是PWM
PWM（Pulse Width Modulation）简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在测量、通信、工控等方面。
PWM的频率
是指在1秒钟内，信号从高电平到低电平再回到高电平的次数，也就是说一秒钟PWM有多少个周期，单位Hz。
PWM的周期
T=1/f，T是周期，f是频率。
如果频率为50Hz ，也就是说一个周期是20ms，那么一秒钟就有 50次PWM周期。
占空比
是一个脉冲周期内，高电平的时间与整个周期时间的比例，单位是% (0%-100%)
一个周期的长度，如下图所示。
其中，周期是一个脉冲信号的时间，1s内的周期T次数等于频率f，脉宽时间是指高电平时间。
上图中，脉宽时间占总周期时间的比例，就是占空比。
比方说，周期的时间是10ms，脉宽时间是8ms，那么占空比是8/10= 80%，这就是占空比为80%的脉冲信号。
PWM就是脉冲宽度调制，通过调节占空比就可以调节脉冲宽度。
PWM原理
以STM32单片机为例，其IO口只能输出高电平和低电平。
假设高电平为5V、低电平则为0V，那么要输出不同的模拟电压就要用到PWM。通过改变IO口输出的方波的占空比，从而获得使用数字信号模拟成的模拟电压信号。
电压是以一种脉冲序列被加到模拟负载上去的，接通时是高电平1，断开时是低电平0。接通时直流供电输出，断开时直流供电断开。通过对接通和断开时间的控制，理论上来讲，可以输出任意不大于最大电压值5V的模拟电压。
比方说，占空比为50%那就是高电平时间一半，低电平时间一半。在一定的频率下，就可以得到模拟的2.5V输出电压。那么75%的占空比，得到的电压就是3.75V，如下图所示。
也就是说，在一定的频率下，通过不同的占空比即可得到不同大小的输出模拟电压，PWM就是通过这种原理实现数字模拟信号转换的。
PWM应用
LED呼吸灯
以经常使用的呼吸灯举例。
一般人眼睛对于80Hz以上刷新频率则完全没有闪烁感，那么我们平时见到的LED灯，当它的频率大于50Hz的时候，人眼就会产生视觉暂留效果，基本就看不到闪烁了，而是误以为是一个常亮的LED灯。
由于频率很高时看不到闪烁，占空比越大LED越亮，占空比越小LED越暗。所以，在频率一定时，可以用不同占空比改变LED灯的亮度，使其达到一个呼吸灯的效果。
PWM对电机转速的控制
调节占空比可以实现不同电压的输出，实现对电机转速的调节。
对于直流电机来讲，电机输出端引脚是高电平电机就可以转动，当输出端高电平时，电机会转动，但是是一点一点的提速，在高电平突然转向低电平时，电机由于电感有防止电流突变的作用是不会停止的，会保持这原有的转速，以此往复，电机的转速就是周期内输出的平均电压值，所以实质上我们调速是将电机处于一种，似停非停，似全速转动又非全速转动的状态，那么在一个周期的平均速度就是我们占空比调出来的速度了。
在电机控制中，电压越大，电机转速越快，而通过PWM输出不同的模拟电压，便可以使电机达到不同的输出转速。
当然，在电机控制中，不同的电机都有其适应的频率 频率太低会导致运动不稳定，如果频率刚好在人耳听觉范围，有时还会听到呼啸声。频率太高时，电机可能反应不过来，正常的电机频率在 6-16kHZ之间为好。
PWM对舵机的控制
舵机的控制就是通过一个固定的频率，给其不同的占空比来控制舵机不同的转角。
舵机的频率一般为频率为50HZ，也就是一个20ms左右的时基脉冲，而脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围，来控制舵机不同的转角。
500-2500us的PWM高电平部分对应控制180度舵机的0-180度。
以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：
0.5ms-------------0度；
1.0ms------------45度；
1.5ms------------90度；
2.0ms-----------135度；
2.5ms-----------180度；下图演示占空比从1ms变化到2ms时，转角的变化。
