PMOS和NMOS開關電路設計 MOS管做開關的特點和注意點

一說到開關，我們腦海中首先浮現(xiàn)的就是各式各樣的機械開關，常見的有自鎖開關、撥碼開關、船型開關等等。區(qū)別于這類常見的機械開關，我們在電子電路中常用的還有各類半導體開關，例如三極管開關、使用三極管級聯(lián)的達林頓管開關、MOS管開關、晶閘管開關等等。我們可以看到普通機械開關與半導體開關最大的差異就在于開關速度上的優(yōu)劣。機械開關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。而半導體開關呢？拿DC-DC電路中的開關MOS管來說，其開關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管作為常用的半導體開關，其驅動方式有什么特點呢？首先，我們認為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閉狀態(tài)?？刂齐妷菏亲饔迷贕極和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。當然更高的GS電壓可以降低MOS管自身的導通損耗。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開關電路，使用微控制器可以輕易的控制負載的開啟或關斷。當微控制器IO輸出低電平時MOS管關閉，當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，在電池供電的應用或者低電壓應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，驅動它非常簡單，不需要電流。但是同時驅動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速度，當我們需要較高的開關速度時，驅動MOS管又變成了一個難題。因為高速開關時較大的dV/dt意味著較大的瞬態(tài)電流（因為開關時需要對GS極的輸入電容充放電）。當驅動電路的輸出阻抗較高時，G極電壓上升會變慢，導致開關特性變差。假如我們把MOS驅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。關于MOS管的驅動器設計可采用分立元件搭建，如常用的晶體管圖騰柱驅動。若采用IC類集成驅動器可選的常用型號如IR公司的IR2103。總之想要獲得較高的開關速度，MOS管的驅動器設計就會相對更復雜，若對開關速度要求較低（KHz級別）那完全可以做到非常簡單。驅動器設計的復雜度或成本與開關速度是成正比的。

最后我們來看一看應用MOS做開關時，開關位于高側和低側的驅動條件（假設以GS極為10V驅動）。

A、NMOS低側開關

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

B、NMOS高側開關

上圖即是一個NMOS高側開關，平時G極被電阻拉至GND電平，處于關閉狀態(tài)。當驅動電壓高于VCC時，MOS打開。此處假定VCC+10V時開啟（NMOS高側驅動需要系統(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高側開關

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

D、PMOS低側開關

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

審核編輯：湯梓紅

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