主副電源自動(dòng)切換電路分析 MOS管參數(shù)詳解

在國(guó)外網(wǎng)站看到一個(gè)主副電源自動(dòng)切換的電路，設(shè)計(jì)非常巧妙。

我之前應(yīng)用的電路：

上面電路設(shè)計(jì)也挺不錯(cuò)的，如果VCC端需要的電壓不一定要求等于VUSB，那么這個(gè)電路是可以的，那么問題來(lái)了，如果主副輸入電壓相等，同時(shí)要求輸出也是同樣的電壓，不能有太大的壓降，怎么設(shè)計(jì)?上面的電路肯定不能滿足了，因?yàn)镈1的壓降最小也是0.3V。

主副電源自動(dòng)切換電路分析

看下面的電路：

這個(gè)電路咋一看復(fù)雜很多，其實(shí)很簡(jiǎn)單，巧妙的利用了MOS管導(dǎo)通的時(shí)候低Rds的特性，相比二極管的方式，在成本控制較低的情況下，極大的提高了效率。

本電路實(shí)現(xiàn)了：當(dāng)Vin1=3.3V時(shí)，不管Vin2有沒有電壓，都由Vin1通過Q3輸出電壓;當(dāng)Vin1斷開的時(shí)候，由Vin2通過Q2輸出電壓。因?yàn)檫x用MOS管的Rds非常小，產(chǎn)生的壓降差不多為數(shù)十mV，所以Vout基本等于Vin。

原理分析：

1、如果Vin1=3.3V，NMOS Q1導(dǎo)通，之后拉低了PMOS Q3的柵極，然后Q1也開始導(dǎo)通，此時(shí)，PMOS Q2的柵極跟源極之間的電壓為Q3的導(dǎo)通壓降，該電壓差不多為幾十mV，因此Q2關(guān)閉，外部電源Vin2斷開，Vout由Vin1供電，Vout=3.3V。此時(shí)整個(gè)電路的靜態(tài)功耗I1+I2=20uA。

2、Vin1斷開了，Q1截止，Q2的柵極有R1的下拉，所以Q2導(dǎo)通，Q3的柵極通過R2上拉，所以Q3也截止，整個(gè)電路，Q1跟Q3截止，Vout由Vin2供電，Vout =3.3V。此時(shí)上面電路I1跟I2的靜態(tài)功耗不存在。

可見，當(dāng)存在主電源時(shí)，電路的靜態(tài)功耗為20uA，否則，幾乎為零。所以電池適合在外部電源供電。

MOSFET Q1、Q2跟Q3應(yīng)該選擇具有低壓柵極和非常低的導(dǎo)通電阻特性。 例如：Q2=Q3=PMN50XP，在Vgs=-3.3V時(shí)，Rds(on)為60mΩ。Q1可以選2N7002，僅供參考，實(shí)際應(yīng)用根據(jù)不同的情況選擇合適的MOSFET。

本電路的一大優(yōu)點(diǎn)就是，整個(gè)電路幾乎不存在壓降(當(dāng)然電流很大的場(chǎng)合另說(shuō))，巧妙的控制三個(gè)MOS管的開啟與截止，最大效率的實(shí)現(xiàn)的主副電源的自動(dòng)切換。

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MOS管參數(shù)詳解

對(duì)于實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用，主要關(guān)注下面幾個(gè)參數(shù)，其他參數(shù)可以自己根據(jù)需求查看手冊(cè)。

1、VGS(th)(開啟電壓)

當(dāng)外加?xùn)艠O控制電壓 VGS 超過 VGS(th) 時(shí)，漏區(qū)和源區(qū)的表面反型層形成了連接的溝道。應(yīng)用中，常將漏極短接條件下ID等于1毫安時(shí)的柵極電壓稱為開啟電壓。此參數(shù)一般會(huì)隨結(jié)溫度的上升而有所降低。

MOS管的導(dǎo)通條件：

N溝道：導(dǎo)通時(shí) Vg>Vs,Vgs> Vgs(th)時(shí)導(dǎo)通;

P溝道：導(dǎo)通時(shí) Vg

MOS管導(dǎo)通條件：|Vgs| > |Vgs(th)|

2、VGS(最大柵源電壓)

柵極能夠承受的最大電壓，柵極是MOS管最薄弱的地方，設(shè)計(jì)的時(shí)候得注意一下，加載柵極的電壓不能超過這個(gè)最大電壓。

3、RDS(on)(漏源電阻)

導(dǎo)通時(shí)漏源間的最大阻抗，它決定了MOSFET導(dǎo)通時(shí)的消耗功率。這個(gè)值要盡可能的小，因?yàn)橐坏┳柚灯?，就?huì)使得功耗變大。MOS管導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗?，F(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。

4、ID(導(dǎo)通電流)

最大漏源電流。是指場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí)，漏源間所允許通過的最大電流。場(chǎng)效應(yīng)管的工作電流不應(yīng)超過ID。一般實(shí)際應(yīng)用作為開關(guān)用需要考慮到末端負(fù)載的功耗，判斷是否會(huì)超過ID。

5、VDSS(漏源擊穿電壓)

漏源擊穿電壓是指柵源電壓VGS為0時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管正常工作所能承受的最大漏源電壓。擊穿后會(huì)使得ID劇增。這是一項(xiàng)極限參數(shù)，加在場(chǎng)效應(yīng)管上的工作電壓必須小于 V(BR)DSS 。

6、gfs(跨導(dǎo))

是指漏極輸出電流的變化量與柵源電壓變化量之比，是表征MOS管放大能力的一個(gè)重要參數(shù),是柵源電壓對(duì)漏極電流控制能力大小的量度。過小會(huì)導(dǎo)致MOS管關(guān)斷速度降低，過大會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷速度過快， EMI特性差。

7、充電參數(shù)

柵極充電信息：

因?yàn)镸OS管的都有寄生電容，其被大多數(shù)制造廠商分成**輸入電容，輸出電容以及反饋電容。**輸入電容值只給出一個(gè)大概的驅(qū)動(dòng)電路所需的充電說(shuō)明，而柵極充電信息更為有用，它表明為達(dá)到一個(gè)特定的柵源電壓柵極所必須充的電量。

MOS管的寄生電容

寄生電容是指電感，電阻，芯片引腳等在高頻情況下表現(xiàn)出來(lái)的電容特性。實(shí)際上，一個(gè)電阻等效于一個(gè)電容，一個(gè)電感，一個(gè)電阻的串聯(lián)，低頻情況下表現(xiàn)不明顯，而高頻情況下，等效值會(huì)增大。MOS管用于控制大電流通斷，經(jīng)常被要求數(shù)十K乃至數(shù)M的開關(guān)頻率，在這種用途中，柵極信號(hào)具有交流特征，頻率越高，交流成分越大，寄生電容就能通過交流電流的形式通過電流，形成柵極電流。消耗的電能、產(chǎn)生的熱量不可忽視。加在G極的弱驅(qū)動(dòng)信號(hào)瞬間變?yōu)楦唠娖?，但是為了“灌滿”寄生電容需要時(shí)間，就會(huì)產(chǎn)生上升沿變緩，影響開關(guān)頻率。

在MOS管的規(guī)格書中，有這么幾個(gè)電容參數(shù)：

對(duì)于這幾個(gè)電容參數(shù)，看下圖所示：

一般從單片機(jī)普通應(yīng)用來(lái)說(shuō)，我們對(duì)這個(gè)開關(guān)要求沒那么高，如果不是特殊應(yīng)用場(chǎng)合可以不用深究。但是，不能忽略寄生電容，所以在我們的MOS使用時(shí)候，就會(huì)在GS級(jí)加上一個(gè)電阻，用來(lái)釋放寄生電容的電流。

MOS管的米勒電容

這三個(gè)等效電容是構(gòu)成串并聯(lián)組合關(guān)系，它們并不是獨(dú)立的，而是相互影響，其中一個(gè)關(guān)鍵電容就是 米勒電容Cgd 。這個(gè)電容不是恒定的，它隨著柵極和漏極間電壓變化而迅速變化，同時(shí)會(huì)影響柵極和源極電容的充電。

額外說(shuō)明一下，三極管也有米勒電容和米勒效應(yīng)，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)MOS管的米勒電容會(huì)比三極管的大很多(具體原因由于工藝問題和MOS管特性問題，阻抗大 —> 電流小 —> 充電時(shí)間長(zhǎng) —> 等效電容大)。米勒效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重增加MOS的開通損耗，因?yàn)樗娱L(zhǎng)了MOS的開通時(shí)間，同時(shí)會(huì)降低MOS的開關(guān)速度。但因?yàn)镸OS管的制造工藝，一定會(huì)產(chǎn)生Cgd，也就是米勒電容一定會(huì)存在，所以米勒效應(yīng)不能避免，只有采用適當(dāng)?shù)姆椒p緩。一般有四種方法：①選擇合適的門極驅(qū)動(dòng)電阻RG;②在G和S之間增加電容;③采用負(fù)壓驅(qū)動(dòng);④門極有源鉗位。

　　審核編輯：湯梓紅