N溝道和P溝道MOSFET開關(guān)電路

在電路中常見到使用MOSFET場效應(yīng)管作為開關(guān)管使用。下面舉例進(jìn)行說明。

圖1  如圖1所示，使用了P溝道的內(nèi)置二極管的電路，此處二極管的主要作用是續(xù)流作用，電路是鋰電池充放電電路，當(dāng)外部電源斷開時(shí)采用Li電池進(jìn)行內(nèi)部供電，即+5V電源斷開后Q1的G極為低電平，S極和D極導(dǎo)通，為系統(tǒng)供電。圖中D2和D3的一方面是降壓的作用，使5V降為4V（D2為鍺管壓降為0.2V，D3硅管壓降為0.7V）。

圖2  圖2 工作原理同圖1，也使用了內(nèi)置續(xù)流二極管的P溝道MOSFET

圖3  圖3使用了內(nèi)置續(xù)流二極管的N溝道的MOSFET

此電路是應(yīng)用于開關(guān)時(shí)序的，當(dāng)3.3V_SB為低電平時(shí)Q18、Q19不導(dǎo)通，5V時(shí)鐘數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)3.3V時(shí)鐘數(shù)據(jù)不導(dǎo)通；當(dāng)3.3V_SB為高電平時(shí)5V時(shí)鐘數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)3.3V時(shí)鐘數(shù)據(jù)。

選用N溝道還是P溝道確定額定電流確定熱要求：首先要進(jìn)行MOSFET的選擇，MOSFET有兩大類型：N溝道和P溝道。在功率系統(tǒng)中，MOSFET可被看成電氣開關(guān)。當(dāng)在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時(shí)，其開關(guān)導(dǎo)通。導(dǎo)通時(shí)，電流可經(jīng)開關(guān)從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個(gè)內(nèi)阻，稱為導(dǎo)通電阻RDS(ON)。

必須清楚MOSFET的柵極是個(gè)高阻抗端，因此，總是要在柵極加上一個(gè)電壓。這就是后面介紹電路圖中柵極所接電阻至地。如果柵極為懸空，器件將不能按設(shè)計(jì)意圖工作，并可能在不恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻導(dǎo)通或關(guān)閉，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。當(dāng)源極和柵極間的電壓為零時(shí)，開關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過器件。雖然這時(shí)器件已經(jīng)關(guān)閉，但仍然有微小電流存在，這稱之為漏電流，即IDSS。

第一步：選用N溝道還是P溝道

為設(shè)計(jì)選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應(yīng)用中，當(dāng)一個(gè)MOSFET接地，而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí)，該MOSFET就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中，應(yīng)采用N溝道MOSFET，這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)MOSFET連接到總線及負(fù)載接地時(shí)，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會(huì)在這個(gè)拓?fù)渲胁捎肞溝道MOSFET，這也是出于對電壓驅(qū)動(dòng)的考慮。

第二步：確定額定電流

第二步是選擇MOSFET的額定電流。視電路結(jié)構(gòu)而定，該額定電流應(yīng)是負(fù)載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設(shè)計(jì)人員必須確保所選的MOSFET能承受這個(gè)額定電流，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時(shí)。兩個(gè)考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。該參數(shù)以FDN304P管DATASHEET為參考，參數(shù)如圖所示：

在連續(xù)導(dǎo)通模式下，MOSFET處于穩(wěn)態(tài)，此時(shí)電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個(gè)最大電流的器件便可。

選好額定電流后，還必須計(jì)算導(dǎo)通損耗。在實(shí)際情況下，MOSFET并不是理想的器件，因?yàn)樵趯?dǎo)電過程中會(huì)有電能損耗，這稱之為導(dǎo)通損耗。MOSFET在“導(dǎo)通”時(shí)就像一個(gè)可變電阻，由器件的RDS(ON)所確定，并隨溫度而顯著變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計(jì)算，由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會(huì)隨之按比例變化。對MOSFET施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會(huì)越小；反之RDS(ON)就會(huì)越高。對系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權(quán)衡的地方。對便攜式設(shè)計(jì)來說，采用較低的電壓比較容易(較為普遍)，而對于工業(yè)設(shè)計(jì)，可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會(huì)隨著電流輕微上升。關(guān)于RDS(ON)電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。

第三步：確定熱要求

選擇MOSFET的下一步是計(jì)算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)計(jì)人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對最壞情況的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會(huì)失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數(shù)據(jù)；比如封裝器件的半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結(jié)溫。

器件的結(jié)溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結(jié)溫=最大環(huán)境溫度+[熱阻×功率耗散])。根據(jù)這個(gè)方程可解出系統(tǒng)的最大功率耗散，即按定義相等于I2×RDS(ON)。由于設(shè)計(jì)人員已確定將要通過器件的最大電流，因此可以計(jì)算出不同溫度下的RDS(ON)。值得注意的是，在處理簡單熱模型時(shí)，設(shè)計(jì)人員還必須考慮半導(dǎo)體結(jié)/器件外殼及外殼/環(huán)境的熱容量；即要求印刷電路板和封裝不會(huì)立即升溫。

通常，一個(gè)PMOS管，會(huì)有寄生的二極管存在，該二極管的作用是防止源漏端反接，對于PMOS而言，比起NMOS的優(yōu)勢在于它的開啟電壓可以為0，而DS電壓之間電壓相差不大，而NMOS的導(dǎo)通條件要求VGS要大于閾值，這將導(dǎo)致控制電壓必然大于所需的電壓，會(huì)出現(xiàn)不必要的麻煩。選用PMOS作為控制開關(guān)，有下面兩種應(yīng)用：

第一種應(yīng)用，由PMOS來進(jìn)行電壓的選擇，當(dāng)V8V存在時(shí)，此時(shí)電壓全部由V8V提供，將PMOS關(guān)閉，VBAT不提供電壓給VSIN，而當(dāng)V8V為低時(shí)，VSIN由8V供電。注意R120的接地，該電阻能將柵極電壓穩(wěn)定地拉低，確保PMOS的正常開啟，這也是前文所描述的柵極高阻抗所帶來的狀態(tài)隱患。D9和D10的作用在于防止電壓的倒灌。D9可以省略。這里要注意到實(shí)際上該電路的DS接反，這樣由附生二極管導(dǎo)通導(dǎo)致了開關(guān)管的功能不能達(dá)到，實(shí)際應(yīng)用要注意。

來看這個(gè)電路，控制信號PGC控制V4.2是否給P_GPRS供電。此電路中，源漏兩端沒有接反，R110與R113存在的意義在于R110控制柵極電流不至于過大，R113控制柵極的常態(tài)，將R113上拉為高，截至PMOS，同時(shí)也可以看作是對控制信號的上拉，當(dāng)MCU內(nèi)部管腳并沒有上拉時(shí)，即輸出為開漏時(shí)，并不能驅(qū)動(dòng)PMOS關(guān)閉，此時(shí)，就需要外部電壓給予的上拉，所以電阻R113起到了兩個(gè)作用。R110可以更小，到100歐姆也可。

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