PMOS和NMOS開關(guān)電路設(shè)計 MOS管做開關(guān)的特點和注意點

一說到開關(guān)，我們腦海中首先浮現(xiàn)的就是各式各樣的機械開關(guān)，常見的有自鎖開關(guān)、撥碼開關(guān)、船型開關(guān)等等。區(qū)別于這類常見的機械開關(guān)，我們在電子電路中常用的還有各類半導(dǎo)體開關(guān)，例如三極管開關(guān)、使用三極管級聯(lián)的達林頓管開關(guān)、MOS管開關(guān)、晶閘管開關(guān)等等。我們可以看到普通機械開關(guān)與半導(dǎo)體開關(guān)最大的差異就在于開關(guān)速度上的優(yōu)劣。機械開關(guān)通常是由人手動操作，其動作時間一般是幾十毫秒到幾百毫秒之間。而半導(dǎo)體開關(guān)呢？拿DC-DC電路中的開關(guān)MOS管來說，其開關(guān)頻率可以達到幾兆赫茲。所以今天我們就來簡單討論下電子電路中使用MOS管做開關(guān)的一些特點和注意點。

首先看一看MOS管的分類。MOS管常見的分類有：1、增強型NMOS；2、增強型PMOS；3、耗盡型NMOS；4、耗盡型PMOS。目前來講我們使用的MOS管大多為增強型，詳細(xì)資料可自行查閱。其實MOS管N與P的區(qū)別就類似晶體管中NPN型與PNP型的差別。然后考慮到制造難度和成本的差異，相似性能下的PMOS價格是要比NMOS貴的。最后NMOS可選的型號是多于PMOS的。

功率MOS管作為常用的半導(dǎo)體開關(guān)，其驅(qū)動方式有什么特點呢？首先，我們認(rèn)為MOS管是電壓控制型器件，其正常工作時是不需要電流的（開或關(guān)的穩(wěn)態(tài)條件下），只要有維持電壓，MOS管即可保持開啟或關(guān)閉狀態(tài)。控制電壓是作用在G極和S極的。G極一層極薄的二氧化硅絕緣柵是MOS管工作時不需要電流的原因。先在多數(shù)MOS管開啟的閾值電壓都比較低，拿常用的AO3400來講，其開啟閾值電壓只需2.5V。當(dāng)然更高的GS電壓可以降低MOS管自身的導(dǎo)通損耗。但是特別注意-GS極電壓的極限值，GS極電壓的極限值，GS極電壓的極限值，重要事情說三遍！GS之間的電壓有限制值，超過規(guī)定值將會導(dǎo)致MOS管的GS擊穿損壞。舉個例子，見下圖：

上圖中是一個簡單的PMOS開關(guān)電路，使用微控制器可以輕易的控制負(fù)載的開啟或關(guān)斷。當(dāng)微控制器IO輸出低電平時MOS管關(guān)閉，當(dāng)微控制器輸出高電平時MOS管開啟。嗯，看樣子這是個簡單好用的電路。是的，在電池供電的應(yīng)用或者低電壓應(yīng)用中這個電路沒有問題。那如果將VCC提高的24V或者36V呢？后果可能是MOS管燒糊。原因就是GS極的電壓浮動范圍是從VCC一直到GND，這么大的電壓浮動范圍超過了GS極承受的極限值！所以在實際使用時可能還要按需并聯(lián)穩(wěn)壓二極管。

剛才我們說MOS管是電壓控制型器件，驅(qū)動它非常簡單，不需要電流。但是同時驅(qū)動MOS管又是不簡單的，為什么呢？我們說簡單是因為沒有考慮開關(guān)速度，當(dāng)我們需要較高的開關(guān)速度時，驅(qū)動MOS管又變成了一個難題。因為高速開關(guān)時較大的dV/dt意味著較大的瞬態(tài)電流（因為開關(guān)時需要對GS極的輸入電容充放電）。當(dāng)驅(qū)動電路的輸出阻抗較高時，G極電壓上升會變慢，導(dǎo)致開關(guān)特性變差。假如我們把MOS驅(qū)動的輸出阻抗想象成一個電阻，把MOS管GS極的電荷容量等效成一個電容，如下圖所示：

我們發(fā)現(xiàn)上圖就是一個低通濾波器，這個低通濾波器影響了我們開關(guān)速度的提升。想要改變這個低通濾波器的特性我們就必須要想辦法改變RC時間常數(shù)。首先MOS管GS的輸入電容已經(jīng)確定了，是一個固定值，看來想從電容值上下手是沒有辦法了，那我們能做的就是減小R值，盡可能減小驅(qū)動器的輸出阻抗，這樣我們才能使GS以更快的速度充電或放電完畢。關(guān)于MOS管的驅(qū)動器設(shè)計可采用分立元件搭建，如常用的晶體管圖騰柱驅(qū)動。若采用IC類集成驅(qū)動器可選的常用型號如IR公司的IR2103?？傊胍@得較高的開關(guān)速度，MOS管的驅(qū)動器設(shè)計就會相對更復(fù)雜，若對開關(guān)速度要求較低（KHz級別）那完全可以做到非常簡單。驅(qū)動器設(shè)計的復(fù)雜度或成本與開關(guān)速度是成正比的。

最后我們來看一看應(yīng)用MOS做開關(guān)時，開關(guān)位于高側(cè)和低側(cè)的驅(qū)動條件（假設(shè)以GS極為10V驅(qū)動）。

A、NMOS低側(cè)開關(guān)

上圖即是一個常用的NMOS低側(cè)開關(guān)，平時G極被電阻拉至GND電平，處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)驅(qū)動電壓高于GND時，MOS打開。此處假定GND+10V時開啟。

B、NMOS高側(cè)開關(guān)

上圖即是一個NMOS高側(cè)開關(guān)，平時G極被電阻拉至GND電平，處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)驅(qū)動電壓高于VCC時，MOS打開。此處假定VCC+10V時開啟（NMOS高側(cè)驅(qū)動需要系統(tǒng)提供一個比VCC電源軌更高的電壓，需要一個正對正的升壓電路）。

C、PMOS高側(cè)開關(guān)

上圖即是一個PMOS高側(cè)開關(guān)，平時G極被電阻拉至VCC電平，處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)驅(qū)動電壓低于VCC時，MOS打開。此處假定VCC-10V時開啟。

D、PMOS低側(cè)開關(guān)

上圖即是一個PMOS低側(cè)開關(guān)（應(yīng)用中一般不會使用，實際意義有限），平時G極被電阻拉至VCC電平，處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)驅(qū)動電壓低于GND時，MOS打開。此處假定GND-10V時開啟。（PMOS低側(cè)驅(qū)動需要系統(tǒng)提供一個比GND電源軌更低的電壓，需要一個正對負(fù)的升壓電路）。

審核編輯：湯梓紅

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