N沟(gou)道和P沟(gou)道MOSFET开关电路

在电路中常见到使用MOSFET场效应管(guan)作为开关管(guan)使用。下面(mian)举(ju)例进行说明。

图(tu)1  如(ru)图(tu)1所示，使用(yong)了P沟道的(de)(de)内置二(er)(er)极(ji)(ji)管的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)路(lu)，此处二(er)(er)极(ji)(ji)管的(de)(de)主(zhu)要作用(yong)是续流(liu)作用(yong)，电(dian)(dian)(dian)路(lu)是锂电(dian)(dian)(dian)池充放电(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)路(lu)，当外部电(dian)(dian)(dian)源断开时采用(yong)Li电(dian)(dian)(dian)池进行内部供电(dian)(dian)(dian)，即+5V电(dian)(dian)(dian)源断开后Q1的(de)(de)G极(ji)(ji)为(wei)(wei)低电(dian)(dian)(dian)平(ping)，S极(ji)(ji)和D极(ji)(ji)导通，为(wei)(wei)系(xi)统(tong)供电(dian)(dian)(dian)。图(tu)中D2和D3的(de)(de)一方面是降(jiang)压的(de)(de)作用(yong)，使5V降(jiang)为(wei)(wei)4V（D2为(wei)(wei)锗管压降(jiang)为(wei)(wei)0.2V，D3硅(gui)管压降(jiang)为(wei)(wei)0.7V）。

图2  图2 工作(zuo)原理(li)同图1，也使用了内置续(xu)流二极管(guan)的P沟道MOSFET

图(tu)3  图(tu)3使用了内置续流(liu)二极管的N沟(gou)道的MOSFET

此电路是应用于开关时(shi)序的，当3.3V_SB为(wei)低电平(ping)时(shi)Q18、Q19不导通，5V时(shi)钟(zhong)数(shu)据(ju)(ju)转(zhuan)3.3V时(shi)钟(zhong)数(shu)据(ju)(ju)不导通；当3.3V_SB为(wei)高电平(ping)时(shi)5V时(shi)钟(zhong)数(shu)据(ju)(ju)转(zhuan)3.3V时(shi)钟(zhong)数(shu)据(ju)(ju)。

选用N沟(gou)道(dao)(dao)(dao)还是P沟(gou)道(dao)(dao)(dao)确定额定电(dian)(dian)流确定热(re)要求：首先要进行MOSFET的(de)选择，MOSFET有(you)两大类型：N沟(gou)道(dao)(dao)(dao)和(he)P沟(gou)道(dao)(dao)(dao)。在(zai)功率系(xi)统中，MOSFET可被看成(cheng)电(dian)(dian)气开(kai)关。当在(zai)N沟(gou)道(dao)(dao)(dao)MOSFET的(de)栅(zha)极(ji)(ji)(ji)和(he)源极(ji)(ji)(ji)间加上正电(dian)(dian)压时，其开(kai)关导(dao)通(tong)(tong)。导(dao)通(tong)(tong)时，电(dian)(dian)流可经开(kai)关从漏极(ji)(ji)(ji)流向源极(ji)(ji)(ji)。漏极(ji)(ji)(ji)和(he)源极(ji)(ji)(ji)之间存在(zai)一个内阻(zu)，称为导(dao)通(tong)(tong)电(dian)(dian)阻(zu)RDS(ON)。

必须清楚MOSFET的栅(zha)极(ji)(ji)(ji)(ji)是个(ge)高阻(zu)抗端，因此，总是要在(zai)栅(zha)极(ji)(ji)(ji)(ji)加(jia)上一(yi)个(ge)电压(ya)。这(zhei)就是后面介绍(shao)电路图中栅(zha)极(ji)(ji)(ji)(ji)所接电阻(zu)至(zhi)地。如果栅(zha)极(ji)(ji)(ji)(ji)为悬空，器(qi)件(jian)将不(bu)能(neng)按设(she)计意图工作，并可能(neng)在(zai)不(bu)恰当的时(shi)刻(ke)导(dao)通或关(guan)闭，导(dao)致(zhi)系(xi)统产生潜在(zai)的功率损耗。当源极(ji)(ji)(ji)(ji)和栅(zha)极(ji)(ji)(ji)(ji)间的电压(ya)为零时(shi)，开关(guan)关(guan)闭，而电流(liu)停(ting)止通过器(qi)件(jian)。虽然(ran)这(zhei)时(shi)器(qi)件(jian)已经关(guan)闭，但仍然(ran)有微小(xiao)电流(liu)存在(zai)，这(zhei)称之为漏电流(liu)，即IDSS。

第一步：选用N沟道还是P沟道

为(wei)设计选择正确器(qi)件的(de)第(di)一(yi)步是(shi)决定采(cai)用(yong)N沟(gou)道(dao)(dao)还是(shi)P沟(gou)道(dao)(dao)MOSFET。在(zai)(zai)典型的(de)功率应用(yong)中，当一(yi)个(ge)MOSFET接(jie)地，而负载(zai)连(lian)接(jie)到干线电(dian)(dian)压上时，该MOSFET就构成了低压侧开(kai)关(guan)。在(zai)(zai)低压侧开(kai)关(guan)中，应采(cai)用(yong)N沟(gou)道(dao)(dao)MOSFET，这(zhei)是(shi)出于对关(guan)闭或导通(tong)(tong)器(qi)件所需电(dian)(dian)压的(de)考(kao)虑。当MOSFET连(lian)接(jie)到总线及负载(zai)接(jie)地时，就要用(yong)高压侧开(kai)关(guan)。通(tong)(tong)常(chang)会在(zai)(zai)这(zhei)个(ge)拓扑中采(cai)用(yong)P沟(gou)道(dao)(dao)MOSFET，这(zhei)也是(shi)出于对电(dian)(dian)压驱动的(de)考(kao)虑。

第二步：确定额定电流

第二步是(shi)选择MOSFET的额定电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)。视电(dian)(dian)(dian)路结构而定，该(gai)额定电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)应是(shi)负(fu)载(zai)在所有情(qing)况(kuang)下能够(gou)承(cheng)受的最大(da)电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)。与电(dian)(dian)(dian)压的情(qing)况(kuang)相似，设计人员必(bi)须确保所选的MOSFET能承(cheng)受这个额定电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)，即使(shi)在系统(tong)产生尖峰(feng)(feng)电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)时(shi)。两个考(kao)虑的电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)情(qing)况(kuang)是(shi)连续模式和(he)脉(mai)冲(chong)尖峰(feng)(feng)。该(gai)参数(shu)以FDN304P管DATASHEET为参考(kao)，参数(shu)如图所示：

在连续导通模式下，MOSFET处(chu)于(yu)稳态，此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流，只(zhi)需直接选择能承受这个(ge)最大电流的器件便(bian)可。

选好(hao)额定电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流后，还必(bi)须计算(suan)导通(tong)损耗(hao)。在(zai)实际(ji)情况下，MOSFET并(bing)不是理想的(de)(de)器件，因(yin)为(wei)(wei)在(zai)导电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)过(guo)程中会(hui)有电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能损耗(hao)，这称之为(wei)(wei)导通(tong)损耗(hao)。MOSFET在(zai)“导通(tong)”时就(jiu)像一个(ge)可(ke)变(bian)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻，由(you)(you)器件的(de)(de)RDS(ON)所确定，并(bing)随(sui)(sui)温度而(er)显著(zhu)变(bian)化(hua)(hua)(hua)。器件的(de)(de)功(gong)率(lv)耗(hao)损可(ke)由(you)(you)Iload2×RDS(ON)计算(suan)，由(you)(you)于(yu)导通(tong)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻随(sui)(sui)温度变(bian)化(hua)(hua)(hua)，因(yin)此(ci)功(gong)率(lv)耗(hao)损也会(hui)随(sui)(sui)之按比例变(bian)化(hua)(hua)(hua)。对MOSFET施加的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压VGS越高，RDS(ON)就(jiu)会(hui)越小(xiao)；反之RDS(ON)就(jiu)会(hui)越高。对系统(tong)设计人员来(lai)说(shuo)(shuo)，这就(jiu)是取(qu)决于(yu)系统(tong)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压而(er)需要(yao)折中权衡的(de)(de)地方。对便携式设计来(lai)说(shuo)(shuo)，采(cai)用(yong)较低的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压比较容易(较为(wei)(wei)普(pu)遍(bian))，而(er)对于(yu)工业(ye)设计，可(ke)采(cai)用(yong)较高的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压。注意(yi)RDS(ON)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻会(hui)随(sui)(sui)着电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流轻(qing)微(wei)上升。关于(yu)RDS(ON)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻的(de)(de)各种电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)气(qi)参(can)数变(bian)化(hua)(hua)(hua)可(ke)在(zai)制(zhi)造(zao)商提供(gong)的(de)(de)技术资料表中查到。

第三步：确定热要求

选择(ze)MOSFET的下一(yi)(yi)步是计算(suan)系(xi)统(tong)的散热要(yao)求(qiu)。设计人(ren)员必须考虑两种不同的情(qing)况，即(ji)最(zui)坏(huai)情(qing)况和真实(shi)情(qing)况。建议采用针对最(zui)坏(huai)情(qing)况的计算(suan)结(jie)(jie)果，因为(wei)这个(ge)结(jie)(jie)果提供更大的安全余量(liang)，能(neng)确(que)保系(xi)统(tong)不会(hui)失效。在MOSFET的资料(liao)表上(shang)还有一(yi)(yi)些需要(yao)注意的测(ce)量(liang)数(shu)据；比如封装器件的半导(dao)体结(jie)(jie)与环(huan)境之间的热阻，以及最(zui)大的结(jie)(jie)温。

器(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)结(jie)温(wen)(wen)等于(yu)(yu)最(zui)大(da)(da)(da)环(huan)境温(wen)(wen)度加上(shang)热(re)(re)阻(zu)与功(gong)率(lv)耗散(san)的(de)(de)乘(cheng)积(结(jie)温(wen)(wen)=最(zui)大(da)(da)(da)环(huan)境温(wen)(wen)度+[热(re)(re)阻(zu)×功(gong)率(lv)耗散(san)])。根据这个方程可解出(chu)系统的(de)(de)最(zui)大(da)(da)(da)功(gong)率(lv)耗散(san)，即(ji)按定义相等于(yu)(yu)I2×RDS(ON)。由于(yu)(yu)设(she)计(ji)(ji)人员(yuan)已确定将要通过器(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)最(zui)大(da)(da)(da)电流，因(yin)此(ci)可以(yi)计(ji)(ji)算出(chu)不同温(wen)(wen)度下的(de)(de)RDS(ON)。值(zhi)得注意的(de)(de)是，在处理简单热(re)(re)模型时(shi)，设(she)计(ji)(ji)人员(yuan)还(hai)必须考(kao)虑半导体(ti)结(jie)/器(qi)件(jian)(jian)外壳(qiao)及外壳(qiao)/环(huan)境的(de)(de)热(re)(re)容量；即(ji)要求印(yin)刷(shua)电路板和封装不会立即(ji)升温(wen)(wen)。

通常，一个PMOS管，会(hui)有寄生的二极管存(cun)在，该二极管的作用是防止源漏端反(fan)接(jie)，对(dui)于(yu)(yu)PMOS而(er)(er)言，比起NMOS的优势在于(yu)(yu)它的开(kai)启电(dian)压可以为0，而(er)(er)DS电(dian)压之间(jian)电(dian)压相差不(bu)大，而(er)(er)NMOS的导通条件要(yao)求(qiu)VGS要(yao)大于(yu)(yu)阈值，这将导致控制(zhi)电(dian)压必然大于(yu)(yu)所需的电(dian)压，会(hui)出现(xian)不(bu)必要(yao)的麻烦。选用PMOS作为控制(zhi)开(kai)关(guan)，有下面两种应用：

第一种应用，由PMOS来进(jin)行电(dian)(dian)压(ya)(ya)的(de)选择，当(dang)V8V存在时(shi)，此时(shi)电(dian)(dian)压(ya)(ya)全(quan)部由V8V提供(gong)，将(jiang)PMOS关(guan)闭，VBAT不提供(gong)电(dian)(dian)压(ya)(ya)给(ji)VSIN，而当(dang)V8V为低(di)时(shi)，VSIN由8V供(gong)电(dian)(dian)。注意R120的(de)接地(di)，该(gai)电(dian)(dian)阻能将(jiang)栅极电(dian)(dian)压(ya)(ya)稳定地(di)拉(la)低(di)，确保PMOS的(de)正常开(kai)启(qi)，这(zhei)也是前文所(suo)描述的(de)栅极高阻抗(kang)所(suo)带来的(de)状(zhuang)态隐患。D9和D10的(de)作用在于防止(zhi)电(dian)(dian)压(ya)(ya)的(de)倒灌。D9可(ke)以省略(lve)。这(zhei)里要注意到(dao)实(shi)际(ji)上(shang)该(gai)电(dian)(dian)路(lu)的(de)DS接反，这(zhei)样由附生二极管导通导致了开(kai)关(guan)管的(de)功能不能达到(dao)，实(shi)际(ji)应用要注意。

来看这(zhei)个电(dian)(dian)(dian)路，控(kong)(kong)制(zhi)信号PGC控(kong)(kong)制(zhi)V4.2是否给P_GPRS供电(dian)(dian)(dian)。此电(dian)(dian)(dian)路中，源漏两(liang)端没有接反(fan)，R110与R113存(cun)在的意义在于(yu)R110控(kong)(kong)制(zhi)栅极(ji)电(dian)(dian)(dian)流不至(zhi)于(yu)过大，R113控(kong)(kong)制(zhi)栅极(ji)的常态，将R113上(shang)拉为高，截至(zhi)PMOS，同时(shi)也可以(yi)看作(zuo)是对控(kong)(kong)制(zhi)信号的上(shang)拉，当MCU内部管(guan)脚并(bing)没有上(shang)拉时(shi)，即输出为开(kai)漏时(shi)，并(bing)不能(neng)驱动PMOS关(guan)闭，此时(shi)，就需要外部电(dian)(dian)(dian)压(ya)给予的上(shang)拉，所以(yi)电(dian)(dian)(dian)阻R113起到了两(liang)个作(zuo)用(yong)。R110可以(yi)更小，到100欧姆也可。

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