常用MOS電源開(kāi)關(guān)電路圖 NMOS、PMOS高低側(cè)電源開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)

隨著對(duì)器件的控制需求提升，越來(lái)越多的電源開(kāi)關(guān)電路出現(xiàn)在設(shè)計(jì)中。這些設(shè)計(jì)的目的各有不同：有的需要快速開(kāi)通與關(guān)斷，有的需要低導(dǎo)通電阻+大電流，有的需要閑時(shí)0功耗。雖然應(yīng)用場(chǎng)合不同，但做開(kāi)關(guān)可是MOS的強(qiáng)項(xiàng)。下面來(lái)介紹幾種產(chǎn)品設(shè)計(jì)中常用的MOS做電源開(kāi)關(guān)的電路。

1、NMOS低側(cè)電源開(kāi)關(guān)

【低側(cè)驅(qū)動(dòng)，最簡(jiǎn)單最實(shí)用，但不一定適用所有的電路，會(huì)對(duì)部分電路的工作有影響】

由于NMOS和PMOS在原理和生產(chǎn)工藝上存在差異，導(dǎo)致同價(jià)格的NMOS在開(kāi)通速度、額定電流、導(dǎo)通內(nèi)阻這些參數(shù)上均優(yōu)于PMOS，所以設(shè)計(jì)中盡量?jī)?yōu)先選擇NMOS。

下圖為使用NMOS，最簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)電路。(低側(cè)驅(qū)動(dòng))

CONTROL為控制信號(hào)，電平一般為3~12V。負(fù)載一端接電源正極，另一端接NMOS的D(漏極)。

CONTROL電平為高時(shí)，Vgs>NMOS的Vgs導(dǎo)通閥值，MOS導(dǎo)通，負(fù)載工作。

CONTROL電平為低時(shí)，Vgs=0，MOS關(guān)斷，負(fù)載停機(jī)。

1.1、設(shè)計(jì)時(shí)注意事項(xiàng)

1.1.1、泄放電阻 R1

上面這個(gè)電路中，通常都會(huì)在NMOS的G極、S極間，并聯(lián)一個(gè)10K左右的電阻。這個(gè)電阻通常被叫做泄放電阻，用來(lái)泄放GS極間的電荷。加它的原因是因?yàn)镸OS的GS極間的阻值非常高，通常為M歐以上，并且GS間還有結(jié)電容，這就導(dǎo)致GS一旦充電，就很難釋放掉。如果沒(méi)有這個(gè)泄放電阻，在G極通入高電平，負(fù)載會(huì)工作，而將G極上的控制信號(hào)拿開(kāi)，由于結(jié)電容的存在，GS間的電壓會(huì)維持在導(dǎo)通閥值以上很長(zhǎng)一段時(shí)間，負(fù)載仍會(huì)繼續(xù)工作。而加了泄放電阻，會(huì)加快泄放速度，使電路功能更加合理易用。

1.1.2、Vgs電壓范圍 對(duì)導(dǎo)通速度、導(dǎo)通內(nèi)阻的影響

通常來(lái)講，TO-220、TO-251AA、SOP-8、SO-8(DFN3x3 5x5)、TO-252、TO-263 這些封裝較大的器件，其額定耐壓、額定電流都比較大，Vgs的最大允許范圍一般為± 20V。

因Vgs的驅(qū)動(dòng)電壓越高，MOS的導(dǎo)通電阻就越小，導(dǎo)通速度也越快，所以像電機(jī)控制一般多使用12V作為驅(qū)動(dòng)電壓。(見(jiàn)下圖手冊(cè)，Vgs=4.5V 和 10V 時(shí)，MOS導(dǎo)通內(nèi)阻的對(duì)比)

SOT-23封裝的MOS，其Vgs最大范圍一般為± 12V。

切莫使Vgs超出手冊(cè)規(guī)定的范圍，會(huì)使MOS損壞。

下圖為 IRLR7843 - NMOS 數(shù)據(jù)手冊(cè)的部分內(nèi)容。

1.1.3、寄生結(jié)電容 | 驅(qū)動(dòng)電流 | 柵極驅(qū)動(dòng)器

1.1.3.1、寄生結(jié)電容 對(duì)開(kāi)斷速率的影響

MOS的GS極間的寄生結(jié)電容大小，影響了開(kāi)斷速度。越小開(kāi)斷越快，響應(yīng)越迅速。選型時(shí)，應(yīng)盡量選擇小的，可以有更快的開(kāi)斷速度，以降低開(kāi)關(guān)損耗。

1.1.3.2、寄生結(jié)電容 和 驅(qū)動(dòng)頻率 對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的需求

MOS的GS極內(nèi)阻非常大，對(duì)外主要體現(xiàn)為容性，低頻時(shí)對(duì)電流的需求不明顯，而隨著頻率升高，電容充放電頻率的加快，電容的容抗與頻率成反比，容抗變小。

容抗公式

這時(shí)在輸入信號(hào)的頻率相對(duì)較高的條件下，驅(qū)動(dòng)MOS就需要比以前大得多的驅(qū)動(dòng)電流。大到一定程度，MCU端口能提供的幾mA電流就顯然不夠用了，繼續(xù)使用MCU端口直驅(qū)，一方面會(huì)使MCU過(guò)載，另一方面會(huì)對(duì)輸出信號(hào)的波形造成衰減，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響NMOS的正常開(kāi)通。

這種情況，常見(jiàn)于電機(jī)控制或者電源轉(zhuǎn)換?？刂菩盘?hào)通常為幾十KHz~幾M的PWM波形。需要使用專用的MOS柵極驅(qū)動(dòng)IC。NMOS的低側(cè)驅(qū)動(dòng)IC很簡(jiǎn)單，內(nèi)部大多為一個(gè)半橋。市面上使用更多的驅(qū)動(dòng)IC為高側(cè)+低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)IC，即為NMOS半橋柵極驅(qū)動(dòng)，而單單低側(cè)的柵極驅(qū)動(dòng)由于較為簡(jiǎn)單，搞個(gè)NP對(duì)管就能實(shí)現(xiàn)相近的效果，即使芯片有很多選擇，也并不常用。

2、NMOS高側(cè)電源開(kāi)關(guān)(高側(cè)驅(qū)動(dòng)，穩(wěn)定、性能好)

【也叫高端驅(qū)動(dòng)、高邊驅(qū)動(dòng)，因高端中文容易混淆，所以一般書(shū)面形式叫高邊、高側(cè)的會(huì)多一些】

NMOS做低側(cè)開(kāi)關(guān)，是用NMOS將元件的GND浮空，并通過(guò)開(kāi)通GND開(kāi)開(kāi)關(guān)電路負(fù)載。

一般的電路這樣用可能沒(méi)什么問(wèn)題，但有的則不行，例如需要低側(cè)電流采樣的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，可能導(dǎo)致工作異常。或者有電源完全斷開(kāi)的需求，NMOS低側(cè)開(kāi)關(guān)顯然不適合。

NMOS的高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)，一般需要搭配額外的柵極驅(qū)動(dòng)芯片，這類芯片大體有兩種：

1、集成電荷泵的NMOS高側(cè)驅(qū)動(dòng)：一種是內(nèi)部集成電荷泵的。可允許高側(cè)NMOS的持續(xù)開(kāi)通，即允許100%占空比輸入。性能穩(wěn)定，但柵極驅(qū)動(dòng)器芯片的成本略高。

2、電容浮柵自舉：另一種是通過(guò)電容浮柵自舉。需要輸入信號(hào)為PWM，通常只允許99%占空比輸入，以在空閑時(shí)間給自舉電容充電。這種應(yīng)用需要限制PWM信號(hào)的占空比，不能100%占空比輸入，不能高側(cè)持續(xù)導(dǎo)通。

電容浮柵自舉電路原理

電機(jī)控制和功率變換應(yīng)用中，較多使用的是電容浮柵自舉，其內(nèi)部電路形式大多為 高側(cè)+低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)IC，或者叫NMOS半橋柵極驅(qū)動(dòng)IC。其內(nèi)部集成死區(qū)控制器，以防止半橋上下管同時(shí)開(kāi)通，造成短路MOS過(guò)流損壞，俗稱炸管。常用型號(hào)如 IR2101、IR2104、IR2110、IR2130，市面上的大多數(shù)柵極驅(qū)動(dòng)IC多以這幾款I(lǐng)C為仿照藍(lán)本。

下面簡(jiǎn)述下電容自舉電路的原理，其是如何實(shí)現(xiàn)高壓隔離和 電容自舉充放電的。個(gè)人理解可能有偏頗，還望指正。這里以 IR2101 的手冊(cè)為例。

請(qǐng)留意第二張的右上角：

0、圖1右側(cè)的TO與LOAD是直接連接的，且 HIN、LIN 的信號(hào)近似為差分(一般會(huì)額外插入些死區(qū))，所以右側(cè)半橋輸出的電平，可以近似的看為 0 ~ 600V 的數(shù)字信號(hào)，輸出不是600V就是0V。這是大前提，這里先不考慮外部負(fù)載對(duì)上升、下降沿過(guò)程的影響，近似看做純數(shù)字電路來(lái)方便理解。

1、當(dāng)輸入信號(hào) HIN 為0時(shí)，圖2右上角的 高側(cè)MOS關(guān)斷，低側(cè)MOS導(dǎo)通。外部高側(cè)NMOS的GS通過(guò)內(nèi)部的低側(cè)MOS來(lái)迅速放電，使外部高側(cè)MOS關(guān)斷。于此同時(shí)，外部低側(cè)MOS導(dǎo)通，半橋輸出電平為0V，可近似看作自舉電容的低邊直接接到了GND上，構(gòu)成了自舉電容的充電回路。這時(shí)自舉電容會(huì)在二極管的輔助下，擇機(jī)充電。

2、當(dāng)輸入信號(hào) HIN 為1時(shí)，圖2右上角的 高側(cè)MOS導(dǎo)通，低側(cè)MOS關(guān)斷。自舉電容通過(guò) Vb -> HO 路徑向 外部的高側(cè)NMOS放電，于是外部的高側(cè)NMOS導(dǎo)通，自舉電容逐漸放電電壓緩慢變低。因MOS的GS極間內(nèi)阻非常大，外部的高側(cè)NMOS可以保持導(dǎo)通很長(zhǎng)時(shí)間。【這步相當(dāng)于將沖好電的自舉電容，突然架空GND，再瞬間轉(zhuǎn)移到到 Vs 和 HO 上，使外部NMOS的GS間電位與自舉電容保持一致。整個(gè)過(guò)程與電荷泵倍壓的原理幾乎是一樣的，只不過(guò)這里的充放電頻率與HIN、LIN的頻率保持一致，而電荷泵倍壓一般使用內(nèi)置震蕩源】

因 HIN、LIN 輸入信號(hào)為PWM，且限制最大占空比為99%，上面過(guò)程隨PWM周期重復(fù)。

NMOS電荷泵高側(cè)驅(qū)動(dòng)IC的一些型號(hào)

在IC廠商官網(wǎng)的產(chǎn)品選型頁(yè)，不是很容易直接搜到 MOS高側(cè)驅(qū)動(dòng)。一般被叫做 熱插拔控制器，額外集成了高邊差分放大器，對(duì)浪涌電流進(jìn)行保護(hù)。

TI的 高側(cè)開(kāi)關(guān)產(chǎn)品列表，其MOS都是內(nèi)部集成的，不能外接NMOS。好不容易能在 電子保險(xiǎn)絲和熱插拔控制器 中找到個(gè) LM5060。單純的NMOS高側(cè)驅(qū)動(dòng)型號(hào)很少，大多都是集成電流保護(hù)的 熱插拔控制器。

ADI 有專門(mén)的 熱插拔控制器 和 高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器 分類，能外接NMOS的型號(hào)還是非常多的。如LTC4380、ADM4210、LTC4440、LTC7000。

隨著電機(jī)控制對(duì)FOC需求的激增，同時(shí)也促使了MOS柵極驅(qū)動(dòng)器的集成度提高，諸如DRV8301、DRV8305 這些集成了三相半橋柵極驅(qū)動(dòng)、DCDC降壓、高側(cè)電荷泵涓流充電、多路增益可編程的差分放大器、可調(diào)死區(qū)控制器 的驅(qū)動(dòng)器，被越來(lái)越多的應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì) 上。

3、PMOS高側(cè)電源開(kāi)關(guān)(高側(cè)驅(qū)動(dòng)，穩(wěn)定、簡(jiǎn)單)

NMOS做高側(cè)開(kāi)關(guān)的性能比較好，但因?yàn)橐黾宇~外的柵極驅(qū)動(dòng)IC，會(huì)使電路變得復(fù)雜，成本也會(huì)隨之提升。除開(kāi)電機(jī)控制和電源轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合，一般對(duì)開(kāi)通速度、導(dǎo)通內(nèi)阻、過(guò)電流能力 無(wú)細(xì)致需求的話，PMOS無(wú)疑是做開(kāi)關(guān)的較好選擇。

近年來(lái)隨著MOS工藝的升級(jí)，PMOS的參數(shù)還是較NMOS差，但導(dǎo)通內(nèi)阻<10m歐的PMOS型號(hào)越來(lái)越多了。PMOS做高側(cè)開(kāi)關(guān)的最大優(yōu)勢(shì)，是不用電荷泵驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)單方便，還降低成本。

下圖是PMOS做高側(cè)開(kāi)關(guān)的電路，CONTROL為控制信號(hào)，電平范圍為0~VCC。

CONTROL為0V時(shí)，Vgs<導(dǎo)通閥值，PMOS開(kāi)通，負(fù)載工作。

CONTROL為VCC時(shí)，Vgs>導(dǎo)通閥值，PMOS關(guān)斷，負(fù)載停機(jī)。

注意上圖這里的輸入信號(hào) CONTROL，其低電平要保證Vgs能使PMOS開(kāi)通;又要限制Vgs不能小于手冊(cè)上的最小允許電壓，以避免PMOS損壞。

但MCU或其他控制器的電平一般為固定的3.3V / 5V，而電路的VCC卻要在一個(gè)很大的范圍內(nèi)變動(dòng)。這就導(dǎo)致如果使用I/O口直接驅(qū)動(dòng)的話，PMOS不能關(guān)斷，并且當(dāng)VCC較大時(shí)，還會(huì)損壞MCU的I/O口。

所以PMOS做高側(cè)開(kāi)關(guān)時(shí)，一般搭配一個(gè)小電流的NMOS或者NPN管，來(lái)做驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)換。

如下圖，NMOS - Q3負(fù)責(zé)做電平轉(zhuǎn)換，來(lái)驅(qū)動(dòng)Q2 - PMOS的開(kāi)關(guān)。

當(dāng) CONTROL 為0時(shí)，Q3關(guān)斷，Q2的G極電平被拉高為VCC，Q2 - PMOS關(guān)斷，負(fù)載停機(jī)。

當(dāng)CONTROL 為1，Q3開(kāi)通，Q2的G極電平被拉低為0，Q2 Vgs<導(dǎo)通閥值，PMOS開(kāi)通，負(fù)載工作。

隨之而來(lái)新的問(wèn)題：如果VCC電壓很高，在PMOS開(kāi)通時(shí)，導(dǎo)致Vgs超出了手冊(cè)中的Vgs允許范圍，也會(huì)造成PMOS的損壞。

為了避免損壞PMOS的柵極，在上面的電路中，添加一個(gè)穩(wěn)壓管和電阻，來(lái)達(dá)到鉗位的作用，使Vgs最小不低于-12V，以保護(hù)Q2的柵極。(見(jiàn)下圖)

特別注意：VCC電壓較高時(shí)，需要重新計(jì)算各電阻的熱功耗，來(lái)確定合適的封裝，或者更改阻值。

PMOS做低側(cè)開(kāi)關(guān)的實(shí)例實(shí)在是少之又少，并且PMOS做低側(cè)開(kāi)關(guān)確實(shí)沒(méi)什么好處，電路復(fù)雜且參數(shù)較差，不如直接用NMOS，在此不做介紹。

審核編輯：湯梓紅