PMOS和NMOS开关电路设计 MOS管做开关的特点和注意点

应用电子电路

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一说到开关,我们脑海中首先浮现的就是各式各样的机械开关,常见的有自锁开关、拨码开关、船型开关等等。区别于这类常见的机械开关,我们在电子电路中常用的还有各类半导体开关,例如三极管开关、使用三极管级联的达林顿管开关、MOS管开关、晶闸管开关等等。我们可以看到普通机械开关与半导体开关最大的差异就在于开关速度上的优劣。机械开关通常是由人手动操作,其动作时间一般是几十毫秒到几百毫秒之间。而半导体开关呢?拿DC-DC电路中的开关MOS管来说,其开关频率可以达到几兆赫兹。所以今天我们就来简单讨论下电子电路中使用MOS管做开关的一些特点和注意点。

首先看一看MOS管的分类。MOS管常见的分类有:1、增强型NMOS;2、增强型PMOS;3、耗尽型NMOS;4、耗尽型PMOS。目前来讲我们使用的MOS管大多为增强型,详细资料可自行查阅。其实MOS管N与P的区别就类似晶体管中NPN型与PNP型的差别。然后考虑到制造难度和成本的差异,相似性能下的PMOS价格是要比NMOS贵的。最后NMOS可选的型号是多于PMOS的。

功率MOS管作为常用的半导体开关,其驱动方式有什么特点呢?首先,我们认为MOS管是电压控制型器件,其正常工作时是不需要电流的(开或关的稳态条件下),只要有维持电压,MOS管即可保持开启或关闭状态。控制电压是作用在G极和S极的。G极一层极薄的二氧化硅绝缘栅是MOS管工作时不需要电流的原因。先在多数MOS管开启的阈值电压都比较低,拿常用的AO3400来讲,其开启阈值电压只需2.5V。当然更高的GS电压可以降低MOS管自身的导通损耗。但是特别注意-GS极电压的极限值,GS极电压的极限值,GS极电压的极限值,重要事情说三遍!GS之间的电压有限制值,超过规定值将会导致MOS管的GS击穿损坏。举个例子,见下图:

半导体

上图中是一个简单的PMOS开关电路,使用微控制器可以轻易的控制负载的开启或关断。当微控制器IO输出低电平时MOS管关闭,当微控制器输出高电平时MOS管开启。嗯,看样子这是个简单好用的电路。是的,在电池供电的应用或者低电压应用中这个电路没有问题。那如果将VCC提高的24V或者36V呢?后果可能是MOS管烧糊。原因就是GS极的电压浮动范围是从VCC一直到GND,这么大的电压浮动范围超过了GS极承受的极限值!所以在实际使用时可能还要按需并联稳压二极管。

刚才我们说MOS管是电压控制型器件,驱动它非常简单,不需要电流。但是同时驱动MOS管又是不简单的,为什么呢?我们说简单是因为没有考虑开关速度,当我们需要较高的开关速度时,驱动MOS管又变成了一个难题。因为高速开关时较大的dV/dt意味着较大的瞬态电流(因为开关时需要对GS极的输入电容充放电)。当驱动电路的输出阻抗较高时,G极电压上升会变慢,导致开关特性变差。假如我们把MOS驱动的输出阻抗想象成一个电阻,把MOS管GS极的电荷容量等效成一个电容,如下图所示:

半导体

我们发现上图就是一个低通滤波器,这个低通滤波器影响了我们开关速度的提升。想要改变这个低通滤波器的特性我们就必须要想办法改变RC时间常数。首先MOS管GS的输入电容已经确定了,是一个固定值,看来想从电容值上下手是没有办法了,那我们能做的就是减小R值,尽可能减小驱动器的输出阻抗,这样我们才能使GS以更快的速度充电或放电完毕。关于MOS管的驱动器设计可采用分立元件搭建,如常用的晶体管图腾柱驱动。若采用IC类集成驱动器可选的常用型号如IR公司的IR2103。总之想要获得较高的开关速度,MOS管的驱动器设计就会相对更复杂,若对开关速度要求较低(KHz级别)那完全可以做到非常简单。驱动器设计的复杂度或成本与开关速度是成正比的。

最后我们来看一看应用MOS做开关时,开关位于高侧和低侧的驱动条件(假设以GS极为10V驱动)。

A、NMOS低侧开关

半导体

上图即是一个常用的NMOS低侧开关,平时G极被电阻拉至GND电平,处于关闭状态。当驱动电压高于GND时,MOS打开。此处假定GND+10V时开启。

B、NMOS高侧开关

半导体

上图即是一个NMOS高侧开关,平时G极被电阻拉至GND电平,处于关闭状态。当驱动电压高于VCC时,MOS打开。此处假定VCC+10V时开启(NMOS高侧驱动需要系统提供一个比VCC电源轨更高的电压,需要一个正对正的升压电路)。

C、PMOS高侧开关

半导体

上图即是一个PMOS高侧开关,平时G极被电阻拉至VCC电平,处于关闭状态。当驱动电压低于VCC时,MOS打开。此处假定VCC-10V时开启。

D、PMOS低侧开关

上图即是一个PMOS低侧开关(应用中一般不会使用,实际意义有限),平时G极被电阻拉至VCC电平,处于关闭状态。当驱动电压低于GND时,MOS打开。此处假定GND-10V时开启。(PMOS低侧驱动需要系统提供一个比GND电源轨更低的电压,需要一个正对负的升压电路)。

半导体

审核编辑:汤梓红

 

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