PMOS管经典开关电路

下图是两(liang)种PMOS管(guan)经典(dian)开关电(dian)(dian)路(lu)(lu)应用：其中第一(yi)种NMOS管(guan)为(wei)高(gao)电(dian)(dian)平(ping)导通，低电(dian)(dian)平(ping)截断，Drain端(duan)接后(hou)面电(dian)(dian)路(lu)(lu)的接地端(duan)；第二种为(wei)PMOS管(guan)典(dian)型(xing)开关电(dian)(dian)路(lu)(lu)，为(wei)高(gao)电(dian)(dian)平(ping)断开，低电(dian)(dian)平(ping)导通，Drain端(duan)接后(hou)面电(dian)(dian)路(lu)(lu)的VCC端(duan)。

首先要(yao)(yao)进(jin)行(xing)MOSFET的(de)选(xuan)择，MOSFET有两(liang)大类型：N沟(gou)道(dao)和(he)P沟(gou)道(dao)。在(zai)(zai)功率系(xi)统中，MOSFET可(ke)被看成电气开(kai)关(guan)。当(dang)在(zai)(zai)N沟(gou)道(dao)MOSFET的(de)栅极(ji)(ji)和(he)源(yuan)极(ji)(ji)间加上(shang)正电压时(shi)(shi)，其开(kai)关(guan)导(dao)通(tong)。导(dao)通(tong)时(shi)(shi)，电流(liu)可(ke)经(jing)开(kai)关(guan)从漏极(ji)(ji)流(liu)向源(yuan)极(ji)(ji)。漏极(ji)(ji)和(he)源(yuan)极(ji)(ji)之间存在(zai)(zai)一(yi)个(ge)内阻(zu)(zu)，称为(wei)(wei)导(dao)通(tong)电阻(zu)(zu)RDS(ON)。必须清(qing)楚MOSFET的(de)栅极(ji)(ji)是(shi)(shi)个(ge)高阻(zu)(zu)抗端(duan)，因此，总是(shi)(shi)要(yao)(yao)在(zai)(zai)栅极(ji)(ji)加上(shang)一(yi)个(ge)电压。这就(jiu)是(shi)(shi)后面介绍(shao)电路图中栅极(ji)(ji)所接电阻(zu)(zu)至地。如果栅极(ji)(ji)为(wei)(wei)悬空，器(qi)件(jian)(jian)将不能按设计意(yi)图工(gong)作，并可(ke)能在(zai)(zai)不恰当(dang)的(de)时(shi)(shi)刻导(dao)通(tong)或关(guan)闭，导(dao)致系(xi)统产生潜在(zai)(zai)的(de)功率损(sun)耗(hao)。当(dang)源(yuan)极(ji)(ji)和(he)栅极(ji)(ji)间的(de)电压为(wei)(wei)零(ling)时(shi)(shi)，开(kai)关(guan)关(guan)闭，而电流(liu)停止通(tong)过器(qi)件(jian)(jian)。虽然这时(shi)(shi)器(qi)件(jian)(jian)已经(jing)关(guan)闭，但(dan)仍然有微小电流(liu)存在(zai)(zai)，这称之为(wei)(wei)漏电流(liu)，即IDSS。

第一步：选用N沟道还是P沟道

为设计选择正确器(qi)件(jian)的(de)(de)第一步是(shi)(shi)决定(ding)采(cai)用(yong)N沟(gou)道(dao)还是(shi)(shi)P沟(gou)道(dao)MOSFET。在(zai)典型的(de)(de)功率应用(yong)中(zhong)(zhong)，当一个MOSFET接(jie)地，而负载(zai)连接(jie)到(dao)干线电压(ya)上时，该MOSFET就(jiu)构成(cheng)了低(di)压(ya)侧(ce)开(kai)关(guan)(guan)(guan)。在(zai)低(di)压(ya)侧(ce)开(kai)关(guan)(guan)(guan)中(zhong)(zhong)，应采(cai)用(yong)N沟(gou)道(dao)MOSFET，这(zhei)是(shi)(shi)出(chu)(chu)于对关(guan)(guan)(guan)闭(bi)或导通(tong)器(qi)件(jian)所需电压(ya)的(de)(de)考虑。当MOSFET连接(jie)到(dao)总线及负载(zai)接(jie)地时，就(jiu)要(yao)用(yong)高压(ya)侧(ce)开(kai)关(guan)(guan)(guan)。通(tong)常(chang)会(hui)在(zai)这(zhei)个拓扑中(zhong)(zhong)采(cai)用(yong)PMOS管经(jing)典开(kai)关(guan)(guan)(guan)电路，这(zhei)也(ye)是(shi)(shi)出(chu)(chu)于对电压(ya)驱动的(de)(de)考虑。

第二步：确定额定电流

第二(er)步(bu)是(shi)选择MOSFET的额定(ding)电流(liu)(liu)。视电路结构(gou)而定(ding)，该额定(ding)电流(liu)(liu)应(ying)是(shi)负载在所有情(qing)况下能(neng)够(gou)承(cheng)受(shou)的最大电流(liu)(liu)。与电压(ya)的情(qing)况相似，设计人员必须确保(bao)所选的MOSFET能(neng)承(cheng)受(shou)这个额定(ding)电流(liu)(liu)，即(ji)使在系统(tong)产生尖峰(feng)(feng)电流(liu)(liu)时。两个考虑(lv)的电流(liu)(liu)情(qing)况是(shi)连续模式和脉冲尖峰(feng)(feng)。该参(can)(can)(can)数以FDN304P管DATASHEET为参(can)(can)(can)考，参(can)(can)(can)数如(ru)图(tu)所示(shi)：

在连续导通模式下，MOSFET处(chu)于稳(wen)态，此(ci)时电流(liu)连续通过器件。脉冲尖(jian)峰是指(zhi)有大量电涌(或尖(jian)峰电流(liu))流(liu)过器件。一旦确定了这些(xie)条件下的最大电流(liu)，只需(xu)直接选择(ze)能(neng)承受这个最大电流(liu)的器件便可。

选好额(e)定电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)后，还必(bi)须计(ji)算(suan)导(dao)通损耗。在实际情况下(xia)，MOSFET并不是(shi)理想的(de)(de)(de)器件(jian)，因(yin)为(wei)在导(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)过程中会(hui)有电(dian)(dian)(dian)(dian)能损耗，这称之(zhi)为(wei)导(dao)通损耗。MOSFET在“导(dao)通”时就(jiu)(jiu)像一(yi)个(ge)可变(bian)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻，由(you)器件(jian)的(de)(de)(de)RDS(ON)所确定，并随温度而显著变(bian)化。器件(jian)的(de)(de)(de)功率耗损可由(you)Iload2×RDS(ON)计(ji)算(suan)，由(you)于导(dao)通电(dian)(dian)(dian)(dian)阻随温度变(bian)化，因(yin)此(ci)功率耗损也(ye)会(hui)随之(zhi)按比例变(bian)化。对MOSFET施加的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)压VGS越高，RDS(ON)就(jiu)(jiu)会(hui)越小；反之(zhi)RDS(ON)就(jiu)(jiu)会(hui)越高。对系统设计(ji)人员来说，这就(jiu)(jiu)是(shi)取决于系统电(dian)(dian)(dian)(dian)压而需要折中权衡(heng)的(de)(de)(de)地方。对便携式设计(ji)来说，采(cai)(cai)用(yong)较(jiao)低的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)压比较(jiao)容易(较(jiao)为(wei)普(pu)遍(bian))，而对于工业设计(ji)，可采(cai)(cai)用(yong)较(jiao)高的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)压。注意(yi)RDS(ON)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻会(hui)随着电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)轻微上升。关(guan)于RDS(ON)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻的(de)(de)(de)各种电(dian)(dian)(dian)(dian)气参数变(bian)化可在制造商提(ti)供的(de)(de)(de)技术资料表中查到。

第三步：确定热要求

选择MOSFET的(de)(de)下一(yi)步是(shi)计算(suan)系统(tong)的(de)(de)散(san)热(re)(re)要求。设计人(ren)员(yuan)必须(xu)考(kao)虑两种不同的(de)(de)情况，即最(zui)坏情况和真实情况。建议采用针(zhen)对最(zui)坏情况的(de)(de)计算(suan)结果，因为这个结果提供更(geng)大(da)的(de)(de)安全余量(liang)，能(neng)确(que)保系统(tong)不会(hui)失效。在MOSFET的(de)(de)资料(liao)表上还有一(yi)些需要注意的(de)(de)测量(liang)数据；比如封装器件(jian)的(de)(de)半导体结与环境之间的(de)(de)热(re)(re)阻，以(yi)及最(zui)大(da)的(de)(de)结温(wen)。

器件的(de)(de)(de)结(jie)温(wen)等于(yu)最大(da)(da)环(huan)(huan)境(jing)温(wen)度加上热阻与功率耗散(san)的(de)(de)(de)乘积(结(jie)温(wen)=最大(da)(da)环(huan)(huan)境(jing)温(wen)度+[热阻×功率耗散(san)])。根据(ju)这个方程可(ke)解出系(xi)统的(de)(de)(de)最大(da)(da)功率耗散(san)，即按定义相等于(yu)I2×RDS(ON)。由于(yu)设计(ji)人(ren)员(yuan)已(yi)确定将要(yao)(yao)通(tong)过器件的(de)(de)(de)最大(da)(da)电流，因此可(ke)以计(ji)算(suan)出不同温(wen)度下的(de)(de)(de)RDS(ON)。值得注意(yi)的(de)(de)(de)是(shi)，在处理简单(dan)热模型时，设计(ji)人(ren)员(yuan)还必须考(kao)虑(lv)半导体(ti)结(jie)/器件外壳及外壳/环(huan)(huan)境(jing)的(de)(de)(de)热容(rong)量；即要(yao)(yao)求印(yin)刷(shua)电路板和封装不会立即升温(wen)。

通常，一个PMOS管(guan)(guan)经典开关电(dian)(dian)路PMOS管(guan)(guan)，会有寄(ji)生(sheng)的(de)二极管(guan)(guan)存在，该二极管(guan)(guan)的(de)作用(yong)是防止源漏端反接(jie)，对(dui)于(yu)PMOS而言，比起NMOS的(de)优(you)势在于(yu)它(ta)的(de)开启电(dian)(dian)压(ya)(ya)可以为0，而DS电(dian)(dian)压(ya)(ya)之间(jian)电(dian)(dian)压(ya)(ya)相差不(bu)大(da)，而NMOS的(de)导(dao)通条(tiao)件要求VGS要大(da)于(yu)阈值，这将导(dao)致(zhi)控(kong)制电(dian)(dian)压(ya)(ya)必然大(da)于(yu)所需的(de)电(dian)(dian)压(ya)(ya)，会出现(xian)不(bu)必要的(de)麻(ma)烦。选(xuan)用(yong)PMOS作为控(kong)制开关，有下面两(liang)种应用(yong)：

第一种应用，PMOS管经典开关电路由PMOS来进行电压的选择，当V8V存在时，此时电压全部由V8V提供，将PMOS关闭，VBAT不提供电压给VSIN，而当V8V为低时，VSIN由8V供电。注意R120的接地，该电阻能将栅极电压稳定地拉低，PMOS管经典开关电路确保PMOS的正常开启，这也是前文所描述的栅极高阻抗所带来的状态隐患。D9和D10的作用在于防止电压的倒灌。D9可以省略。这里要注意到实际上该电路的DS接反，这样由附生二极管导通导致了开关管的功能不能达到，实际应用要注意。

来看这(zhei)个电路，控(kong)(kong)制(zhi)信(xin)号PGC控(kong)(kong)制(zhi)V4.2是否给P_GPRS供电。此(ci)(ci)电路中，源漏两(liang)端没有(you)接(jie)反，R110与R113存(cun)在(zai)(zai)的意义在(zai)(zai)于R110控(kong)(kong)制(zhi)栅(zha)极(ji)电流不至(zhi)于过大，R113控(kong)(kong)制(zhi)栅(zha)极(ji)的常态，将(jiang)R113上拉为高，截(jie)至(zhi)PMOS，同时(shi)(shi)也可以看作(zuo)是对控(kong)(kong)制(zhi)信(xin)号的上拉，当MCU内(nei)部管脚并(bing)没有(you)上拉时(shi)(shi)，即输出为开漏时(shi)(shi)，并(bing)不能(neng)驱(qu)动(dong)PMOS关闭，此(ci)(ci)时(shi)(shi)，就需要外(wai)部电压给予的上拉，所以电阻(zu)R113起到了两(liang)个作(zuo)用。R110可以更小(xiao)，到100欧姆(mu)也可。

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