如何用双MOS设计分立式负载开关?

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描述

★★★ SCD-4-- -分立式双MOS负载开关 ★★★

引言:基于单个MOSFET拓扑的负载开关只能阻断一个方向的电流,由于MOSFET有一个固有的体二极管,如果存在反向电流,它们的作用就像处于导通状态的二极管。

在一些应用中,需要能够阻断两个方向的电流,例如电池驱动应用,其中应防止电池在充电器连接器侧短路等故障情况下放电,或在电气故障导致连接电缆和交流适配器泄露的情况下放电。

€1.具有反向电流保护的共漏极负载开关,共漏双NMOS

更全面的负载开关功能包括反向电压保护、反向电流保护,这些可以用共漏极或共源极配置的MOSFET实现。

阻断反向电流的常见方法是使用二极管。但是使用MOSFET负载开关可以更有效地实现该功能。为了实现两个电流方向的阻断,必须将两个MOSFET以相反的极性串联。如图4-1图4-2 ,在这种情况下,如果不是两个FET都打开,那么其中总有一个体二极管可以阻断对向的电流。这种方法允许创建两种反向驱动保护负载开关的替代拓扑,背靠背连接漏极或源极,称为共漏极或共源极。

体二极管

图4-1:反向电流保护共漏双NMOS负载开关

图4-1为共漏极双NMOS高边负载开关,与单NMOS高边负载开关一样,需要有高于Vin的HV_Ctrl驱动。

体二极管

图4-2:反向电流保护共漏双PMOS负载开关

图4-2为共漏极双PMOS高边负载开关,与单PMOS高边负载开关一样,Ctrl端需要可以达到接近等于或高于Vin的电平,若不能直接施加,则需要增加一个三极管或者MOS管驱动G极。

€2.具有反向电流保护的共源极负载开关,共源双NMOS

共源极拓扑需要访问MOSFET之间的源极连接,G极必须在MOS开启保持电位高于S极,见图4-3图4-4 。因为公共源极可能会浮动,如果在没有加偏置电阻钳固电位差的情况下,两个NMOS均无法开启。因为Ctrl处的电压不低,钳固电阻可以尽量往高值取,比如1MΩ。

体二极管

图4-3:反向电流保护共源双NMOS负载开关

图4-3为共源极双NMOS高边负载开关,与单NMOS高边负载开关一样,需要有高于Vin的HV_Ctrl驱动。

体二极管

图4-4:反向电流保护共源双PMOS负载开关

图4-4为共源极双PMOS高边负载开关,与单PMOS高边负载开关一样,Ctrl端需要可以达到接近等于或高于Vin的电平,若不能直接施加,则需要像上节一样增加一个三极管或者MOS管驱动G极。

*************€3.*************选型和使用注意

因为仅限于使用在高边开关场景,那么从之前的讲解中可以知道,这里从设计复杂度上不建议使用NMOS,建议使用双PMOS共漏或共源设计,相关计算和单PMOS负载开关相似,这里不再举例。需要注意的是,两个MOS尽量需要保持型号相同,如果选用的两个不一样,可能会因为一致性差的原因导致两个MOS关闭时间不一致或者开启关闭时产生振荡。

*** €4. 小结 ***

本节基于防正向电流泄漏+防反向电流保护的需要,在单个MOS负载开关的基础上,利用MOS体二极管的特性,设计出分立式两防负载开关电路。大家可能有疑问,为什么共漏或共源开关只有高边类型而没有低边类型,其实是因为反向电流的产生都源自于负载,那么低边开关断开的是负载和GND,GND处自然就不会产生反向电流,那么低边开关也就不需要反向电流保护,一个MOS就可以了。

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