MOS管（三極管）—一些常用的硬件設(shè)計電路分析

1. 概述

芯片的集成度雖然越來越高，但是整個電路功能的實(shí)現(xiàn)，還是離不開分離器件的搭配，本文就針對筆者在實(shí)際工作中的關(guān)于 MOS 管（三極管）的應(yīng)用做一些整理。

本文所介紹的功能，使用三極管也是可以的，但是實(shí)際應(yīng)用中，多使用 MOS 管，故本文多以 MOS 管進(jìn)行說明。

2. 應(yīng)用

2.1 NMOS 開關(guān)控制

如圖，通過 NMOS 的開關(guān)作用，完成對 LED 的亮滅控制。此時 MOS 管工作于截止區(qū)和可變電阻區(qū)。

對于 NMOS ，當(dāng) Vgs = Vg - Vs > 0 時，NMOS 導(dǎo)通；當(dāng) Vgs = Vg - Vs < 0 時，NMOS 斷開。

2.2 PMOS 電源控制

2.2.1 IO 控制

PMOS 在整個電路系統(tǒng)中，其中某一部分的電路上電通過控制中可以方便用于通斷控制。 上圖的電路中，使用時需要注意的一點(diǎn)是 VCC_IN 與控制端的電平 PWR_CON 要處于同一標(biāo)準(zhǔn)（eg：VCC_IN = 3.3V；PWR_CON 高電平 = 3.3V） 。

對于 PMOS ，當(dāng) Vgs = Vg - Vs < 0 時，PMOS 導(dǎo)通；當(dāng) Vgs = Vg - Vs > 0 時，PMOS 斷開。

因?yàn)?MOS 管的導(dǎo)通壓降是非常小的，所以在 Rds 之上的能量損耗是比較少的。

2.2.2 NMOS 控制 PMOS

進(jìn)一步地，上圖的電路可以擴(kuò)展為下圖，PMOS 的柵極通過 NMOS 來控制。

拓展為此電路，針對 VCC_IN 與 PWR_CON 電壓就沒有強(qiáng)制的要求了。當(dāng) PWR_CON 為高電平的時候，NMOS 導(dǎo)通，PMOS 的柵極被拉低到低電平，PMOS 導(dǎo)通，VCC_OUT 有電壓輸出；反之，當(dāng) PWR_CON 為低電平時，NMOS 關(guān)斷，從而使 PMOS 也斷開，這樣就完成了 VCC_IN 輸出電壓到 VCC_OUT 的控制。#### 2.2.3 按鍵上電控制

上圖的電路，就可以完成所謂的按鍵開機(jī)的功能。

（1）按下 K1 按鍵，PMOS 的柵極被拉低，Vgs < 0，PMOS 導(dǎo)通，VCC_OUT 有電壓輸出；

（2）VCC_OUT 有電壓輸出，按鍵按下時可完成對 MCU 的供電，然后軟件端通過 MCU 的 GPIO 進(jìn)而控制 NMOS 的柵極，即 PWR_CON 。先通過 KEY_DET 檢測到按鍵動作，然后把 PWR_CON 設(shè)置為高電平，NMOS 導(dǎo)通，使得 PMOS 也導(dǎo)通，這時候抬起按鍵，VCC_OUT 一端也有電壓穩(wěn)定輸出，就實(shí)現(xiàn)了按鍵上電開機(jī)的功能。

此電路的二極管，功能是防止電壓反竄和 對MCU 的 GPIO 的保護(hù)。

功能流程：

2.3 反相（非門邏輯）

如果電路中需要實(shí)現(xiàn)邏輯非的功能，可以采用 MOS 管（三極管）加上電阻來實(shí)現(xiàn)，如下圖所示：

通過一個 MOS 管（三極管）加上兩個電阻，就可以實(shí)現(xiàn)非門的邏輯。

具體的應(yīng)用可參考本文：再學(xué) SPI ——（一）SPI片選信號

2.4 電池防反接功能

在大多數(shù)的電池防反接電路中，常選擇壓降小的二極管（如：肖特基二極管）來完成，但是針對如 3.7V 鋰電池的應(yīng)用場景，肖特基約為 0.2V 的壓降天然的造成了電池容量的浪費(fèi)，而 MOS 管導(dǎo)通的低壓降（Vds）就有很大的優(yōu)勢了。

如上圖所示，PMOS 在此處的作用就是防止 VBUS 存在時，LDO Vin 端的電壓反竄到電池上。

原理分析：

（1）當(dāng) USB VBUS 存在時，PMOS 的柵極電壓 Vg = 5V，源極電壓 Vs = 3.7V（假設(shè)此時的電池電壓為 3.7V），Vgs = 5 - 3.7 = 1.3V（大于0），此時 PMOS 關(guān)斷，就起到了防止 Vin 端電壓反竄的作用；

（2）當(dāng) USB VBUS 不存在時，PMOS 的柵極通過 10K 的電阻下拉到 GND，因此柵極電壓 Vg = 0V，源極電壓 Vs = 3.7V（假設(shè)此時的電池電壓為 3.7V），電池通過 PMOS 自身的寄生二極管使得 Vs = 3.7V，所以 PMOS 的導(dǎo)通電壓 Vgs = 0 - 3.7 = -3.7V，PMOS 導(dǎo)通，這樣就完成了電池電壓到 Vin 端的輸入。

上圖的 LDO 電路，只要使能端 LDO_CON 給一個開啟信號，輸出端 V_3V3 就可以穩(wěn)定輸出 3.3V，C3、C4 為 LDO 的輸入輸出電容，一般大于 1uF（具體參考數(shù)據(jù)手冊取值）。

具體的應(yīng)用可參考本文：電源防反接小結(jié)

2.5 IO通信雙向切換

在一些設(shè)備中，如果兩個通過 IO 連接的器件，某一時刻，一個處于休眠，一個處于掉電，這時候就會導(dǎo)致休眠的器件向掉電的器件灌入電流，為了完全杜絕此狀態(tài)下的電路竄入，可采取如下電路的設(shè)計（比如：I2C 的 SDA 信號）

原理分析：

如上面兩個方向的表格分析，這樣通過 NMOS 就完成了一個 IO 雙向通信的控制。（只能選擇 NMOS，不可選擇 PMOS，原因讀著可以自行分析一下）

2.6 3.3V 與 5V 的電平轉(zhuǎn)換

（1） MOS 實(shí)現(xiàn)：

在實(shí)際的應(yīng)用中，常會遇到通信的兩個芯片之間的電平不匹配的問題，這時候就需要通過外部的電路來完成電平匹配的工作（如：MCU 的電平為 3.3V，而外設(shè)的電平為 5V）。

原理分析：

通過 3.3V 端高低電平的變化，使得 NMOS 對應(yīng)開關(guān)，就完成了 3.3V 電平到 5V 電平的轉(zhuǎn)換。

反之，也完成了對 5V 設(shè)備的數(shù)據(jù)的讀取。

注：此電路用三極管也可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能，如下圖：

（2） 兩級 NPN 實(shí)現(xiàn)：

如下圖所示，3.3V 與 5V 之間的電平轉(zhuǎn)換，也可以通過兩級的 NPN 三極管來實(shí)現(xiàn)。

原理分析：

以上為一些常用的 MOS 管的實(shí)際應(yīng)用電路，部分筆者已在實(shí)際中進(jìn)行了驗(yàn)證，如有不足之處，歡迎指正。