PMOS管与NMOS管控制电路设计对比

一种广为流传的说法：相对于NMOS管，PMOS管的沟道导通电阻更大、速度更慢、成本更高等，这是为什么？

有一定的电子技术应用经验的朋友，对NMOS管开关电路的使用场合肯定是如数家珍，几乎所有的开关电源拓扑都偏向于使用NMOS管（而不是PMOS管），如正激、反激、推挽、半桥、全桥等拓扑，NMOS管的应用电路案例真心不要太多，如下图所示（当然，这些也并不全是完全独立的，比如ZCS正激推挽）：

 

如果让大家举个PMOS管实际应用电路，恐怕大多数读者除了下图所示的电源开关控制电路外，实在是想不出更多其它实用电路了。

我们暂且不管原因何在，但是NMOS管应用场合远比PMOS管要广泛得多，这已经是一个不争的事实，PMOS管可以做到的NMOS管同样也可以做到，真应了那句广告词：人无我有，人有我优。

我们可以看看国际整流器公司（International Rectifier,IR）官方网站的所有MOS管的分类，如下图所示：

除两个红圈所标注的内容是PMOS管外，其它都是NMOS管，并且NMOS管在电压档次上比PMOS管要细分得多，从侧面可以说明NMOS管的应用场合比PMOS要大得多（因为应用多，所以需求多，继而型号多），如果你粗略地统计一下PMOS与NMOS型号的数量，NMOS管绝对独占鳌头，这又是虾米情况？

有人说：应该是PMOS管在使用的时候控制电路太过复杂，与NMOS管的驱动比较，PMOS还需要额外的三极管，成本太高。那我们继续往下看

如果读者对电子技术足够感兴趣且好奇心总是不一般的话，应该对降压型BUCK单片开关电源电路有一定的了解，那你自然会遇到类似下图所示的电路：（来自TI降压电源芯片LM2596数据手册）

这是我们最常用的BUCK拓扑降压芯片典型应用电路，地球人几乎都知道，但是有些降压芯片应用电路却稍微有所不同，如下图所示：（来自TI降压电源芯片TPS54202H数据手册）

看到没有，与LM2596S芯片相比多了一个BOOST（BST）引脚，一般在该引脚与SW之间串一个小电容，这是为什么呢？

有经验的读者可能会说：这种芯片是采用同步整流方案（关于同步整流可参考文章【开关电源（1）之BUCK变换器】，简单的说，就是用MOS管来代替续流二极管，以达到降低损耗继而提升转换效率的目的），内部是用两个NMOS管配合工作的，需要一个自举升压电路，所以才需要外接一个电容。没错！该芯片开关管结构如下图所示：

然而同步整流方案与使用NMOS管作为开关管之间没有因果关系，换言之，就算是异步整流方案，芯片也会偏向于使用NMOS管，如下图所示（来自TI降压电源芯片LM25011数据手册）：

LM25011就是异步整流方案，该芯片的内部开关管的结构如下图所示（来自TI降压电源芯片LM25011数据手册）：

总之一句话：如果内部开关管使用场效应管，那大多数是NMOS管，而PMOS管几乎（大多数，不是所有）是没有使用的机会，尽管PMOS管的内心可能在呐喊着：老板，给我一次机会吧，我可以的（就像你内心想对老板呐喊一样，这种悲壮的心情你肯定是懂的，么么哒）！然而，这并没有什么卵用。

我们在文章《开关电源（1）之BUCK变换器》中详细介绍了降压型BUCK开关电源拓扑，并且还用下图做了一次仿真：

用PMOS管来实现开关切换功能的电路是要多简洁就有多简洁，明明一个PMOS管就能搞定的事，非得使用NMOS管还弄个稍显复杂的自举电路，就像很多明星，明明可以靠脸吃饭，偏偏要靠才能。然而，芯片厂家就是嫌弃它，你简洁怎么了？我就是不用你！你自己上思过崖面壁反省去（不是华山派令狐冲呆的那个地方）。

同样的现象也存在于BOOST变换器芯片中，BOOST单片升压芯片典型应用电路如下图所示：（来自TI升压电源芯片LM2577T数据手册）

同样，有些升压芯片多了一个BOOST/BST引脚，如下图所示（来自TI升压电源芯片TPS61178X数据手册）：

这里要说明一下：上图中芯片外围接有的PMOS管并不是必须的，因为BOOST拓扑由于其本身的特性，在芯片不工作时输出是无法关闭的（输出电压略小于输入电压），这与BUCK拓扑不同，如果需要完全关闭电压输出，必须额外添加一个PMOS管开关电路，这就是我们在文章开关介绍的PMOS管电源开关控制电路。

该芯片的内部开关管的结构如下图所示（来自TI升压电源芯片TPS61178X数据手册）：

当然，异步整流升压芯片就没必要再弄个BST引脚了，因为NMOS管已经是比较理想的架构了，我们在文章《开关电源（2）之BOOST变换器》中也是用NMOS管来仿真的，如下图所示：

PMOS管有时也纳了闷了：我招谁惹谁了我，辛辛苦苦勤勤恳恳地工作几十年，竟然没人欣赏我，不由得心生“既生瑜，何生亮”之感慨，然则原因何在？

前面提到过，PMOS管的导通电阻比NMOS管的导通电阻要大，我们可以找外部参数尽量相同的数据手册来对比一下，如下图所示： 

在相同的工艺、耐压等条件下，NMOS导通电阻为0.036W（W就是欧姆的意思，形状很像符号Ω），而PMOS导通电阻要大得多，其值为0.117Ω，当然，这并不能作为PMOS管的导通电阻比NMOS要大的直接证据，然而事实上，在相同的工艺及尺寸面积条件下，PMOS管的导通电阻确实要比NMOS管要大，这样PMOS开关管的导通损耗比NMOS要大。

将PMOS管应用场合比较少的原因归结于P沟道导通电阻更大似乎是个比较理想的答案，然而我们还是不禁要问一下：为什么PMOS管的导通电阻比NMOS要大呢？这主要是源自于导通沟道在一个特性方面的差别：电子迁移率（Electron mobility）。

我们在文章《二极管》里讲解PN结的时候，已经提到过P型半导体与N型半导体的由来，P型半导体就是在本征半导体（纯净无掺杂的）中掺入3价的元素（如硼元素），其结构如下图的所示：

在合理的范围内掺入的杂质越多，则多数载流子空穴就更多，P型半导体的导电性也似乎将会变得更好。

编辑：黄飞