N沟道(dao)和P沟道(dao)MOSFET开关电路

 在电路中常见到使(shi)用MOSFET场(chang)效应管作(zuo)为开关管使(shi)用。下面举例进行说明。

图1  如图1所示，使用(yong)(yong)了P沟道(dao)的(de)(de)(de)内置二极(ji)管的(de)(de)(de)电(dian)(dian)路，此处二极(ji)管的(de)(de)(de)主(zhu)要作(zuo)用(yong)(yong)是(shi)续流(liu)作(zuo)用(yong)(yong)，电(dian)(dian)路是(shi)锂电(dian)(dian)池充(chong)放电(dian)(dian)电(dian)(dian)路，当外部(bu)电(dian)(dian)源(yuan)断(duan)开(kai)时采(cai)用(yong)(yong)Li电(dian)(dian)池进行内部(bu)供电(dian)(dian)，即+5V电(dian)(dian)源(yuan)断(duan)开(kai)后Q1的(de)(de)(de)G极(ji)为(wei)低电(dian)(dian)平，S极(ji)和D极(ji)导通，为(wei)系统供电(dian)(dian)。图中D2和D3的(de)(de)(de)一方面是(shi)降(jiang)(jiang)压(ya)的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)(yong)，使5V降(jiang)(jiang)为(wei)4V（D2为(wei)锗管压(ya)降(jiang)(jiang)为(wei)0.2V，D3硅管压(ya)降(jiang)(jiang)为(wei)0.7V）。

图2  图2 工作原理同图1，也使用了内置续流二极管的P沟道MOSFET

 图3  图3使用了内置(zhi)续流二极(ji)管(guan)的N沟道的MOSFET

此电(dian)路是(shi)应用于(yu)开(kai)关(guan)时(shi)序的，当3.3V_SB为低(di)电(dian)平时(shi)Q18、Q19不(bu)(bu)导通(tong)，5V时(shi)钟数据(ju)转3.3V时(shi)钟数据(ju)不(bu)(bu)导通(tong)；当3.3V_SB为高电(dian)平时(shi)5V时(shi)钟数据(ju)转3.3V时(shi)钟数据(ju)。

选(xuan)用N沟道(dao)还(hai)是P沟道(dao)确(que)定(ding)额定(ding)电(dian)流确(que)定(ding)热要求(qiu)：首先(xian)要进行MOSFET的(de)选(xuan)择(ze)，MOSFET有两大类(lei)型：N沟道(dao)和P沟道(dao)。在功(gong)率系(xi)统中，MOSFET可被看成(cheng)电(dian)气开(kai)(kai)关(guan)(guan)。当在N沟道(dao)MOSFET的(de)栅(zha)极(ji)(ji)和源极(ji)(ji)间(jian)加上正电(dian)压时(shi)，其开(kai)(kai)关(guan)(guan)导(dao)通。导(dao)通时(shi)，电(dian)流可经开(kai)(kai)关(guan)(guan)从漏(lou)极(ji)(ji)流向源极(ji)(ji)。漏(lou)极(ji)(ji)和源极(ji)(ji)之间(jian)存在一个内阻(zu)，称(cheng)为导(dao)通电(dian)阻(zu)RDS(ON)。

必须清楚MOSFET的(de)(de)栅极是个高阻抗端，因此，总是要在栅极加上一个电(dian)(dian)压(ya)(ya)。这就(jiu)是后(hou)面介(jie)绍电(dian)(dian)路图中(zhong)栅极所(suo)接电(dian)(dian)阻至地。如果(guo)栅极为(wei)悬空，器(qi)件(jian)将(jiang)不能按设计(ji)意图工作，并(bing)可能在不恰当的(de)(de)时(shi)刻导通(tong)或关(guan)闭，导致(zhi)系(xi)统产生潜在的(de)(de)功率损耗。当源(yuan)极和(he)栅极间(jian)的(de)(de)电(dian)(dian)压(ya)(ya)为(wei)零时(shi)，开关(guan)关(guan)闭，而电(dian)(dian)流(liu)停止通(tong)过器(qi)件(jian)。虽然这时(shi)器(qi)件(jian)已(yi)经(jing)关(guan)闭，但仍然有微(wei)小电(dian)(dian)流(liu)存在，这称之为(wei)漏电(dian)(dian)流(liu)，即IDSS。

第一步：选用N沟道还是P沟道

为设计(ji)选择(ze)正确器件(jian)(jian)的第一步是决定(ding)采(cai)用(yong)(yong)N沟(gou)道(dao)还是P沟(gou)道(dao)MOSFET。在(zai)(zai)(zai)典型的功率应用(yong)(yong)中(zhong)，当一个(ge)MOSFET接地，而负(fu)载(zai)连接到(dao)干线电压(ya)(ya)(ya)上(shang)时，该(gai)MOSFET就(jiu)(jiu)构成了低压(ya)(ya)(ya)侧开关(guan)。在(zai)(zai)(zai)低压(ya)(ya)(ya)侧开关(guan)中(zhong)，应采(cai)用(yong)(yong)N沟(gou)道(dao)MOSFET，这是出(chu)于对(dui)关(guan)闭或导通器件(jian)(jian)所(suo)需电压(ya)(ya)(ya)的考虑。当MOSFET连接到(dao)总线及负(fu)载(zai)接地时，就(jiu)(jiu)要用(yong)(yong)高压(ya)(ya)(ya)侧开关(guan)。通常会在(zai)(zai)(zai)这个(ge)拓(tuo)扑中(zhong)采(cai)用(yong)(yong)P沟(gou)道(dao)MOSFET，这也是出(chu)于对(dui)电压(ya)(ya)(ya)驱动的考虑。

第二步：确定额定电流

第二步是选择MOSFET的额定(ding)电(dian)流(liu)(liu)(liu)。视电(dian)路结构而(er)定(ding)，该(gai)额定(ding)电(dian)流(liu)(liu)(liu)应是负载在所有情况(kuang)下(xia)能(neng)够承受(shou)的最大电(dian)流(liu)(liu)(liu)。与(yu)电(dian)压的情况(kuang)相似(si)，设计人员必须(xu)确保所选的MOSFET能(neng)承受(shou)这(zhei)个(ge)额定(ding)电(dian)流(liu)(liu)(liu)，即(ji)使在系统产生尖(jian)峰(feng)电(dian)流(liu)(liu)(liu)时。两(liang)个(ge)考(kao)虑的电(dian)流(liu)(liu)(liu)情况(kuang)是连(lian)续(xu)模式和脉冲尖(jian)峰(feng)。该(gai)参(can)(can)数以FDN304P管DATASHEET为参(can)(can)考(kao)，参(can)(can)数如图所示：

在连续(xu)导通模式下，MOSFET处于稳态，此时电(dian)(dian)流(liu)连续(xu)通过(guo)器件(jian)。脉冲尖(jian)峰(feng)是指有大(da)量电(dian)(dian)涌(或尖(jian)峰(feng)电(dian)(dian)流(liu))流(liu)过(guo)器件(jian)。一旦(dan)确定(ding)了这(zhei)些条(tiao)件(jian)下的(de)(de)最(zui)大(da)电(dian)(dian)流(liu)，只需直接(jie)选择能承受这(zhei)个(ge)最(zui)大(da)电(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)器件(jian)便可(ke)。

选好额(e)定(ding)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)后，还(hai)必须计算导(dao)(dao)通损耗(hao)(hao)(hao)。在(zai)(zai)实际(ji)情况下(xia)，MOSFET并不是理想的(de)(de)器件(jian)，因(yin)为(wei)在(zai)(zai)导(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)过程中会有电(dian)(dian)(dian)(dian)能损耗(hao)(hao)(hao)，这称之为(wei)导(dao)(dao)通损耗(hao)(hao)(hao)。MOSFET在(zai)(zai)“导(dao)(dao)通”时就像(xiang)一个可(ke)变(bian)(bian)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻，由器件(jian)的(de)(de)RDS(ON)所确定(ding)，并随温度(du)(du)而(er)显著变(bian)(bian)化。器件(jian)的(de)(de)功率耗(hao)(hao)(hao)损可(ke)由Iload2×RDS(ON)计算，由于(yu)(yu)导(dao)(dao)通电(dian)(dian)(dian)(dian)阻随温度(du)(du)变(bian)(bian)化，因(yin)此功率耗(hao)(hao)(hao)损也(ye)会随之按(an)比(bi)例变(bian)(bian)化。对MOSFET施加(jia)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)压VGS越(yue)(yue)高，RDS(ON)就会越(yue)(yue)小；反(fan)之RDS(ON)就会越(yue)(yue)高。对系(xi)统(tong)设计人员来(lai)说(shuo)，这就是取决于(yu)(yu)系(xi)统(tong)电(dian)(dian)(dian)(dian)压而(er)需要折中权衡的(de)(de)地(di)方(fang)。对便携(xie)式设计来(lai)说(shuo)，采用较(jiao)低(di)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)压比(bi)较(jiao)容易(较(jiao)为(wei)普遍(bian))，而(er)对于(yu)(yu)工(gong)业(ye)设计，可(ke)采用较(jiao)高的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)压。注意RDS(ON)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻会随着电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)轻微上(shang)升。关于(yu)(yu)RDS(ON)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻的(de)(de)各种(zhong)电(dian)(dian)(dian)(dian)气参数变(bian)(bian)化可(ke)在(zai)(zai)制造商提供的(de)(de)技术资料表中查(cha)到。

第三步：确定热要求

选(xuan)择MOSFET的(de)(de)下一步是(shi)计(ji)算系统(tong)(tong)的(de)(de)散热要求。设计(ji)人员必须考(kao)虑两种不(bu)同的(de)(de)情(qing)况(kuang)，即最(zui)(zui)(zui)坏情(qing)况(kuang)和真实(shi)情(qing)况(kuang)。建议采用(yong)针对最(zui)(zui)(zui)坏情(qing)况(kuang)的(de)(de)计(ji)算结(jie)果，因为这个结(jie)果提(ti)供(gong)更大的(de)(de)安全余量，能确保系统(tong)(tong)不(bu)会失效。在(zai)MOSFET的(de)(de)资料表上(shang)还有一些需要注(zhu)意的(de)(de)测量数据；比如封装(zhuang)器件的(de)(de)半导(dao)体(ti)结(jie)与环(huan)境之间的(de)(de)热阻(zu)，以(yi)及最(zui)(zui)(zui)大的(de)(de)结(jie)温。

器件的(de)结(jie)温(wen)等于最(zui)大(da)环(huan)境温(wen)度(du)加上热阻与功率(lv)耗散的(de)乘积(结(jie)温(wen)=最(zui)大(da)环(huan)境温(wen)度(du)+[热阻×功率(lv)耗散])。根(gen)据这个方程(cheng)可(ke)解出系统(tong)的(de)最(zui)大(da)功率(lv)耗散，即按定(ding)义(yi)相(xiang)等于I2×RDS(ON)。由于设计(ji)人员(yuan)(yuan)已确定(ding)将要(yao)通过器件的(de)最(zui)大(da)电(dian)流，因此可(ke)以(yi)计(ji)算(suan)出不(bu)同(tong)温(wen)度(du)下的(de)RDS(ON)。值得注意的(de)是，在处理简单热模型时，设计(ji)人员(yuan)(yuan)还必须考虑半导体结(jie)/器件外壳(qiao)及外壳(qiao)/环(huan)境的(de)热容(rong)量；即要(yao)求(qiu)印刷电(dian)路板和封装不(bu)会立(li)即升温(wen)。

通常，一个(ge)PMOS管(guan)，会有寄生的(de)二极管(guan)存在，该(gai)二极管(guan)的(de)作用是防止源漏端(duan)反(fan)接，对于PMOS而(er)言(yan)，比起(qi)NMOS的(de)优势在于它的(de)开启电(dian)压(ya)可以(yi)为(wei)0，而(er)DS电(dian)压(ya)之间电(dian)压(ya)相差不(bu)大，而(er)NMOS的(de)导通条(tiao)件要求VGS要大于阈(yu)值(zhi)，这将导致控制(zhi)电(dian)压(ya)必然大于所需(xu)的(de)电(dian)压(ya)，会出现不(bu)必要的(de)麻烦。选用PMOS作为(wei)控制(zhi)开关，有下面两种应用：

第一种应用，由PMOS来进(jin)行电(dian)(dian)压(ya)的(de)选择，当V8V存在时(shi)，此时(shi)电(dian)(dian)压(ya)全部(bu)由V8V提(ti)供，将(jiang)PMOS关(guan)闭(bi)，VBAT不提(ti)供电(dian)(dian)压(ya)给(ji)VSIN，而当V8V为低时(shi)，VSIN由8V供电(dian)(dian)。注(zhu)意R120的(de)接地(di)(di)，该电(dian)(dian)阻(zu)能将(jiang)栅极(ji)电(dian)(dian)压(ya)稳定地(di)(di)拉低，确保PMOS的(de)正常(chang)开(kai)启，这也是前文所描述的(de)栅极(ji)高阻(zu)抗所带来的(de)状态隐患。D9和D10的(de)作用在于(yu)防(fang)止电(dian)(dian)压(ya)的(de)倒灌。D9可(ke)以省(sheng)略。这里要注(zhu)意到(dao)实(shi)际上该电(dian)(dian)路的(de)DS接反，这样由附生二极(ji)管(guan)导通(tong)导致(zhi)了开(kai)关(guan)管(guan)的(de)功(gong)能不能达到(dao)，实(shi)际应用要注(zhu)意。

来看(kan)(kan)这个电路(lu)，控制信(xin)号PGC控制V4.2是(shi)否给P_GPRS供电。此电路(lu)中，源漏两(liang)端(duan)没有(you)接反，R110与R113存在的(de)意(yi)义在于R110控制栅极(ji)电流不至于过大(da)，R113控制栅极(ji)的(de)常(chang)态，将R113上拉为(wei)(wei)高，截至PMOS，同时也可(ke)以(yi)看(kan)(kan)作(zuo)是(shi)对控制信(xin)号的(de)上拉，当MCU内部管脚并没有(you)上拉时，即输(shu)出为(wei)(wei)开漏时，并不能驱(qu)动PMOS关闭，此时，就需要外部电压给予的(de)上拉，所以(yi)电阻(zu)R113起(qi)到了两(liang)个作(zuo)用(yong)。R110可(ke)以(yi)更小，到100欧姆也可(ke)。

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