常用MOS电源开关电路图 NMOS、PMOS高低侧电源开关电路设计

时间:2023-08-23作者:佚名

随着对器件的控制需求提升,越来越多的电源开关电路出现在设计中。这些设计的目的各有不同:有的需要快速开通与关断,有的需要低导通电阻 大电流,有的需要闲时0功耗。虽然应用场合不同,但做开关可是MOS的强项。下面来介绍几种产品设计中常用的MOS做电源开关的电路。

1、NMOS低侧电源开关

【低侧驱动,最简单最实用,但不一定适用所有的电路,会对部分电路的工作有影响】

由于NMOS和PMOS在原理和生产工艺上存在差异,导致同价格的NMOS在开通速度、额定电流、导通内阻这些参数上均优于PMOS,所以设计中尽量优先选择NMOS。

下图为使用NMOS,最简单的开关电路。(低侧驱动)

CONTROL为控制信号,电平一般为3~12V。负载一端接电源正极,另一端接NMOS的D(漏极)。

CONTROL电平为高时,Vgs>NMOS的Vgs导通阀值,MOS导通,负载工作。

CONTROL电平为低时,Vgs=0,MOS关断,负载停机。

常用MOS电源开关电路图 NMOS、PMOS高低侧电源开关电路设计

常用MOS电源开关电路图 NMOS、PMOS高低侧电源开关电路设计

1.1、设计时注意事项

1.1.1、泄放电阻 R1

上面这个电路中,通常都会在NMOS的G极、S极间,并联一个10K左右的电阻。这个电阻通常被叫做泄放电阻,用来泄放GS极间的电荷。加它的原因是因为MOS的GS极间的阻值非常高,通常为M欧以上,并且GS间还有结电容,这就导致GS一旦充电,就很难释放掉。如果没有这个泄放电阻,在G极通入高电平,负载会工作,而将G极上的控制信号拿开,由于结电容的存在,GS间的电压会维持在导通阀值以上很长一段时间,负载仍会继续工作。而加了泄放电阻,会加快泄放速度,使电路功能更加合理易用。

1.1.2、Vgs电压范围 对导通速度、导通内阻的影响

通常来讲,TO-220、TO-251AA、SOP-8、SO-8(DFN3x3 5x5)、TO-252、TO-263 这些封装较大的器件,其额定耐压、额定电流都比较大,Vgs的最大允许范围一般为± 20V。

因Vgs的驱动电压越高,MOS的导通电阻就越小,导通速度也越快,所以像电机控制一般多使用12V作为驱动电压。(见下图手册,Vgs=4.5V 和 10V 时,MOS导通内阻的对比)

SOT-23封装的MOS,其Vgs最大范围一般为± 12V。

切莫使Vgs超出手册规定的范围,会使MOS损坏。

下图为 IRLR7843 - NMOS 数据手册的部分内容。

常用MOS电源开关电路图 NMOS、PMOS高低侧电源开关电路设计

常用MOS电源开关电路图 NMOS、PMOS高低侧电源开关电路设计

1.1.3、寄生结电容 | 驱动电流 | 栅极驱动器

1.1.3.1、寄生结电容 对开断速率的影响

MOS的GS极间的寄生结电容大小,影响了开断速度。越小开断越快,响应越迅速。选型时,应尽量选择小的,可以有更快的开断速度,以降低开关损耗。

常用MOS电源开关电路图 NMOS、PMOS高低侧电源开关电路设计

1.1.3.2、寄生结电容 和 驱动频率 对驱动电流的需求

MOS的GS极内阻非常大,对外主要体现为容性,低频时对电流的需求不明显,而随着频率升高,电容充放电频率的加快,电容的容抗与频率成反比,容抗变小。

容抗公式

常用MOS电源开关电路图 NMOS、PMOS高低侧电源开关电路设计

这时在输入信号的频率相对较高的条件下,驱动MOS就需要比以前大得多的驱动电流。大到一定程度,MCU端口能提供的几mA电流就显然不够用了,继续使用MCU端口直驱,一方面会使MCU过载,另一方面会对输出信号的波形造成衰减,严重时会影响NMOS的正常开通。

这种情况,常见于电机控制或者电源转换。控制信号通常为几十KHz~几M的PWM波形。需要使用专用的MOS栅极驱动IC。NMOS的低侧驱动IC很简单,内部大多为一个半桥。市面上使用更多的驱动IC为高侧 低侧栅极驱动IC,即为NMOS半桥栅极驱动,而单单低侧的栅极驱动由于较为简单,搞个NP对管就能实现相(jìn)的效果,即使芯片有很多选择,也并不常用。

2、NMOS高侧电源开关(高侧驱动,稳定、性能好)

【也叫高端驱动、高边驱动,因高端中文容易混淆,所以一般书面形式叫高边、高侧的会多一些】

NMOS做低侧开关,是用NMOS将元件的GND浮空,并通过开通GND开开关电路负载。

一般的电路这样用可能没什么问题,但有的则不行,例如需要低侧电流采样的电机驱动电路,可能导致工作异常。或者有电源完全断开的需求,NMOS低侧开关显然不适合。

NMOS的高侧栅极驱动,一般需要搭配额外的栅极驱动芯片,这类芯片大体有两种:

1、集成电荷泵的NMOS高侧驱动:一种是内部集成电荷泵的。可允许高侧NMOS的持续开通,即允许100%占空比输入。性能稳定,但栅极驱动器芯片的成本略高。

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