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  • pmos開關(guān)管的選擇分析和工作原理
    • 發(fā)布時間:2019-09-27 11:37:33
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    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。下面舉例進行說明。
    pmos開關(guān)管
    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)外部電源斷開時采用Li電池進行內(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)。
    pmos開關(guān)管
    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
    pmos開關(guān)管
    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)時序的,當(dāng)3.3V_SB為低電平時Q18、Q19不導(dǎo)通,5V時鐘數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)3.3V時鐘數(shù)據(jù)不導(dǎo)通;當(dāng)3.3V_SB為高電平時5V時鐘數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)3.3V時鐘數(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,其開關(guān)導(dǎo)通。導(dǎo)通時,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內(nèi)阻,稱為導(dǎo)通電阻RDS(ON)。
    必須清楚MOSFET的柵極是個高阻抗端,因此,總是要在柵極加上一個電壓。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)計意圖工作,并可能在不恰當(dāng)?shù)臅r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,開關(guān)關(guān)閉,而電流停止通過器件。雖然這時器件已經(jīng)關(guān)閉,但仍然有微小電流存在,這稱之為漏電流,即IDSS。
    pmos開關(guān)管
    第一步:選用N溝道還是P溝道
    為設(shè)計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MOSFET接地,而負(fù)載連接到干線電壓上時,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,就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個拓?fù)渲胁捎肞溝道MOSFET,這也是出于對電壓驅(qū)動的考慮。
    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)計人員必須確保所選的MOSFET能承受這個額定電流,即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時。兩個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:
    pmos開關(guān)管
    在連續(xù)導(dǎo)通模式下,MOSFET處于穩(wěn)態(tài),此時電流連續(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最大電流的器件便可。
    選好額定電流后,還必須計算導(dǎo)通損耗。在實際情況下,MOSFET并不是理想的器件,因為在導(dǎo)電過程中會有電能損耗,這稱之為導(dǎo)通損耗。MOSFET在“導(dǎo)通”時就像一個可變電阻,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)計算,由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化,因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOSFET施加的電壓VGS越高,RDS(ON)就會越小;反之RDS(ON)就會越高。對系統(tǒng)設(shè)計人員來說,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,可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升。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。
    pmos開關(guān)管
    第三步:確定熱要求
    選擇MOSFET的下一步是計算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)計人員必須考慮兩種不同的情況,即最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結(jié)果,因為這個結(jié)果提供更大的安全余量,能確保系統(tǒng)不會失效。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。
    pmos開關(guān)管
    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)計人員已確定將要通過器件的最大電流,因此可以計算出不同溫度下的RDS(ON)。值得注意的是,在處理簡單熱模型時,設(shè)計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立即升溫。
    通常,一個PMOS管,會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:
    pmos開關(guān)管
    第一種應(yīng)用,由PMOS來進行電壓的選擇,當(dāng)V8V存在時,此時電壓全部由V8V提供,將PMOS關(guān)閉,VBAT不提供電壓給VSIN,而當(dāng)V8V為低時,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,實際應(yīng)用要注意。
    pmos開關(guān)管
    來看這個電路,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,即輸出為開漏時,并不能驅(qū)動PMOS關(guān)閉,此時,就需要外部電壓給予的上拉,所以電阻R113起到了兩個作用。R110可以更小,到100歐姆也可。
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