PMOS管與NMOS管控制電路設(shè)計(jì)對比

一種廣為流傳的說法：相對于NMOS管，PMOS管的溝道導(dǎo)通電阻更大、速度更慢、成本更高等，這是為什么？

有一定的電子技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的朋友，對NMOS管開關(guān)電路的使用場合肯定是如數(shù)家珍，幾乎所有的開關(guān)電源拓?fù)涠计蛴谑褂肗MOS管（而不是PMOS管），如正激、反激、推挽、半橋、全橋等拓?fù)?，NMOS管的應(yīng)用電路案例真心不要太多，如下圖所示（當(dāng)然，這些也并不全是完全獨(dú)立的，比如ZCS正激推挽）：

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如果讓大家舉個(gè)PMOS管實(shí)際應(yīng)用電路，恐怕大多數(shù)讀者除了下圖所示的電源開關(guān)控制電路外，實(shí)在是想不出更多其它實(shí)用電路了。

我們暫且不管原因何在，但是NMOS管應(yīng)用場合遠(yuǎn)比PMOS管要廣泛得多，這已經(jīng)是一個(gè)不爭的事實(shí)，PMOS管可以做到的NMOS管同樣也可以做到，真應(yīng)了那句廣告詞：人無我有，人有我優(yōu)。

我們可以看看國際整流器公司（International Rectifier,IR）官方網(wǎng)站的所有MOS管的分類，如下圖所示：

除兩個(gè)紅圈所標(biāo)注的內(nèi)容是PMOS管外，其它都是NMOS管，并且NMOS管在電壓檔次上比PMOS管要細(xì)分得多，從側(cè)面可以說明NMOS管的應(yīng)用場合比PMOS要大得多（因?yàn)閼?yīng)用多，所以需求多，繼而型號多），如果你粗略地統(tǒng)計(jì)一下PMOS與NMOS型號的數(shù)量，NMOS管絕對獨(dú)占鰲頭，這又是蝦米情況？

有人說：應(yīng)該是PMOS管在使用的時(shí)候控制電路太過復(fù)雜，與NMOS管的驅(qū)動比較，PMOS還需要額外的三極管，成本太高。那我們繼續(xù)往下看

如果讀者對電子技術(shù)足夠感興趣且好奇心總是不一般的話，應(yīng)該對降壓型BUCK單片開關(guān)電源電路有一定的了解，那你自然會遇到類似下圖所示的電路：（來自TI降壓電源芯片LM2596數(shù)據(jù)手冊）

這是我們最常用的BUCK拓?fù)浣祲?a target="_blank">芯片典型應(yīng)用電路，地球人幾乎都知道，但是有些降壓芯片應(yīng)用電路卻稍微有所不同，如下圖所示：（來自TI降壓電源芯片TPS54202H數(shù)據(jù)手冊）

看到?jīng)]有，與LM2596S芯片相比多了一個(gè)BOOST（BST）引腳，一般在該引腳與SW之間串一個(gè)小電容，這是為什么呢？

有經(jīng)驗(yàn)的讀者可能會說：這種芯片是采用同步整流方案（關(guān)于同步整流可參考文章【開關(guān)電源（1）之BUCK變換器】，簡單的說，就是用MOS管來代替續(xù)流二極管，以達(dá)到降低損耗繼而提升轉(zhuǎn)換效率的目的），內(nèi)部是用兩個(gè)NMOS管配合工作的，需要一個(gè)自舉升壓電路，所以才需要外接一個(gè)電容。沒錯！該芯片開關(guān)管結(jié)構(gòu)如下圖所示：

然而同步整流方案與使用NMOS管作為開關(guān)管之間沒有因果關(guān)系，換言之，就算是異步整流方案，芯片也會偏向于使用NMOS管，如下圖所示（來自TI降壓電源芯片LM25011數(shù)據(jù)手冊）：

LM25011就是異步整流方案，該芯片的內(nèi)部開關(guān)管的結(jié)構(gòu)如下圖所示（來自TI降壓電源芯片LM25011數(shù)據(jù)手冊）：

總之一句話：如果內(nèi)部開關(guān)管使用場效應(yīng)管，那大多數(shù)是NMOS管，而PMOS管幾乎（大多數(shù)，不是所有）是沒有使用的機(jī)會，盡管PMOS管的內(nèi)心可能在吶喊著：老板，給我一次機(jī)會吧，我可以的（就像你內(nèi)心想對老板吶喊一樣，這種悲壯的心情你肯定是懂的，么么噠）！然而，這并沒有什么卵用。

我們在文章《開關(guān)電源（1）之BUCK變換器》中詳細(xì)介紹了降壓型BUCK開關(guān)電源拓?fù)?，并且還用下圖做了一次仿真：

用PMOS管來實(shí)現(xiàn)開關(guān)切換功能的電路是要多簡潔就有多簡潔，明明一個(gè)PMOS管就能搞定的事，非得使用NMOS管還弄個(gè)稍顯復(fù)雜的自舉電路，就像很多明星，明明可以靠臉吃飯，偏偏要靠才能。然而，芯片廠家就是嫌棄它，你簡潔怎么了？我就是不用你！你自己上思過崖面壁反省去（不是華山派令狐沖呆的那個(gè)地方）。

同樣的現(xiàn)象也存在于BOOST變換器芯片中，BOOST單片升壓芯片典型應(yīng)用電路如下圖所示：（來自TI升壓電源芯片LM2577T數(shù)據(jù)手冊）

同樣，有些升壓芯片多了一個(gè)BOOST/BST引腳，如下圖所示（來自TI升壓電源芯片TPS61178X數(shù)據(jù)手冊）：

這里要說明一下：上圖中芯片外圍接有的PMOS管并不是必須的，因?yàn)锽OOST拓?fù)溆捎谄浔旧淼奶匦?，在芯片不工作時(shí)輸出是無法關(guān)閉的（輸出電壓略小于輸入電壓），這與BUCK拓?fù)洳煌绻枰耆P(guān)閉電壓輸出，必須額外添加一個(gè)PMOS管開關(guān)電路，這就是我們在文章開關(guān)介紹的PMOS管電源開關(guān)控制電路。

該芯片的內(nèi)部開關(guān)管的結(jié)構(gòu)如下圖所示（來自TI升壓電源芯片TPS61178X數(shù)據(jù)手冊）：

當(dāng)然，異步整流升壓芯片就沒必要再弄個(gè)BST引腳了，因?yàn)镹MOS管已經(jīng)是比較理想的架構(gòu)了，我們在文章《開關(guān)電源（2）之BOOST變換器》中也是用NMOS管來仿真的，如下圖所示：

PMOS管有時(shí)也納了悶了：我招誰惹誰了我，辛辛苦苦勤勤懇懇地工作幾十年，竟然沒人欣賞我，不由得心生“既生瑜，何生亮”之感慨，然則原因何在？

前面提到過，PMOS管的導(dǎo)通電阻比NMOS管的導(dǎo)通電阻要大，我們可以找外部參數(shù)盡量相同的數(shù)據(jù)手冊來對比一下，如下圖所示：?

在相同的工藝、耐壓等條件下，NMOS導(dǎo)通電阻為0.036W（W就是歐姆的意思，形狀很像符號Ω），而PMOS導(dǎo)通電阻要大得多，其值為0.117Ω，當(dāng)然，這并不能作為PMOS管的導(dǎo)通電阻比NMOS要大的直接證據(jù)，然而事實(shí)上，在相同的工藝及尺寸面積條件下，PMOS管的導(dǎo)通電阻確實(shí)要比NMOS管要大，這樣PMOS開關(guān)管的導(dǎo)通損耗比NMOS要大。

將PMOS管應(yīng)用場合比較少的原因歸結(jié)于P溝道導(dǎo)通電阻更大似乎是個(gè)比較理想的答案，然而我們還是不禁要問一下：為什么PMOS管的導(dǎo)通電阻比NMOS要大呢？這主要是源自于導(dǎo)通溝道在一個(gè)特性方面的差別：電子遷移率（Electron mobility）。

我們在文章《二極管》里講解PN結(jié)的時(shí)候，已經(jīng)提到過P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的由來，P型半導(dǎo)體就是在本征半導(dǎo)體（純凈無摻雜的）中摻入3價(jià)的元素（如硼元素），其結(jié)構(gòu)如下圖的所示：

在合理的范圍內(nèi)摻入的雜質(zhì)越多，則多數(shù)載流子空穴就更多，P型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性也似乎將會變得更好。

編輯：黃飛

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