常用的MOS做电源开关电路的设计_栅极_暗记

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下面来先容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

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【低侧驱动，最大略最实用，但不一定适用所有的电路，会对部分电路的事情有影响】

（图片来自网络侵删）

由于NMOS和PMOS在事理和生产工艺上存在差异，导致同价格的NMOS在开通速率、额定电流、导通内阻这些参数上均优于PMOS，以是设计中只管即便优先选择NMOS。

下图为利用NMOS，最大略的开关电路。
（低侧驱动）

CONTROL为掌握旗子暗记，电平一样平常为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，负载事情。

CONTROL电平为低时，Vgs=0，MOS关断，负载停机。

1.1、设计时把稳事变

1.1.1、泄放电阻 R1

上面这个电路中，常日都会在NMOS的G极、S极间，并联一个10K旁边的电阻。
这个电阻常日被叫做泄放电阻，用来泄放GS极间的电荷。
加它的缘故原由是由于MOS的GS极间的阻值非常高，常日为M欧以上，并且GS间还有结电容，这就导致GS一旦充电，就很难开释掉。
如果没有这个泄放电阻，在G极通入高电平，负载会事情，而将G极上的掌握旗子暗记拿开，由于结电容的存在，GS间的电压会坚持在导通阀值以上很长一段韶光，负载仍会连续事情。
而加了泄放电阻，会加快泄放速率，使电路功能更加合理易用。

1.1.2、Vgs电压范围对导通速率、导通内阻的影响

常日来讲，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的最大许可范围一样平常为± 20V。

因Vgs的驱动电压越高，MOS的导通电阻就越小，导通速率也越快，以是像电机掌握一样平常多利用12V作为驱动电压。
（见下图手册，Vgs=4.5V 和 10V 时，MOS导通内阻的比拟）

SOT-23封装的MOS，其Vgs最大范围一样平常为± 12V。

切莫使Vgs超出手册规定的范围，会使MOS破坏。

下图为 IRLR7843 - NMOS 数据手册的部分内容。

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，影响了开断速率。
越小开断越快，相应越迅速。
选型时，应只管即便选择小的，可以有更快的开断速率，以降落开关损耗。

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，对外紧张表示为容性，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。

这时在输入旗子暗记的频率相对较高的条件下，驱动MOS就须要比以前大得多的驱动电流。
大到一定程度，MCU端口能供应的几mA电流就显然不足用了，连续利用MCU端口直驱，一方面会使MCU过载，另一方面会对输出旗子暗记的波形造成衰减，严重时会影响NMOS的正常开通。

这种情形，常见于电机掌握或者电源转换。
掌握旗子暗记常日为几十KHz~几M的PWM波形。
须要利用专用的MOS栅极驱动IC。
NMOS的低侧驱动IC很大略，内部大多为一个半桥。
市情上利用更多的驱动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大略，搞个NP对管就能实现附近的效果，纵然芯片有很多选择，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，因高端中文随意马虎稠浊，以是一样平常书面形式叫高边、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。

一样平常的电路这样用可能没什么问题，但有的则弗成，例如须要低侧电流采样的电机驱动电路，可能导致事情非常。
或者有电源完备断开的需求，NMOS低侧开关显然不适宜。

NMOS的高侧栅极驱动，一样平常须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。
可许可高侧NMOS的持续开通，即许可100%占空比输入。
性能稳定，但栅极驱动器芯片的本钱略高。

2、电容浮栅自举：另一种是通过电容浮栅自举。
须要输入旗子暗记为PWM，常日只许可99%占空比输入，以在空闲韶光给自举电容充电。
这种运用须要限定PWM旗子暗记的占空比，不能100%占空比输入，不能高侧持续导通。

电容浮栅自举电路事理

电机掌握和功率变换运用中，较多利用的是电容浮栅自举，其内部电路形式大多为高侧+低侧栅极驱动IC，或者叫NMOS半桥栅极驱动IC。
其内部集成去世区掌握器，以防止半桥高下管同时开通，造成短路MOS过流破坏，俗称炸管。
常用型号如 IR2101、IR2104、IR2110、IR2130，市情上的大多数栅极驱动IC多以这几款IC为仿照原本。

下面简述下电容自举电路的事理，其是如何实现高压隔离和电容自举充放电的。
个人理解可能有偏颇，还望示正。
这里以 IR2101 的手册为例。

请留神第二张的右上角：

0、图1右侧的TO与LOAD是直接连接的，且 HIN、LIN 的旗子暗记近似为差分（一样平常会额外插入些去世区），以是右侧半桥输出的电平，可以近似的看为 0 ~ 600V 的数字旗子暗记，输出不是600V便是0V。
这是大条件，这里先不考虑外部负载对上升、低落沿过程的影响，近似看做纯数字电路来方便理解。

1、当输入旗子暗记 HIN 为0时，图2右上角的高侧MOS关断，低侧MOS导通。
外部高侧NMOS的GS通过内部的低侧MOS来迅速放电，使外部高侧MOS关断。
于此同时，外部低侧MOS导通，半桥输出电平为0V，可近似看作自举电容的低边直接接到了GND上，构成了自举电容的充电回路。
这时自举电容会在二极管的赞助下，择机充电。

2、当输入旗子暗记 HIN 为1时，图2右上角的高侧MOS导通，低侧MOS关断。
自举电容通过 Vb -> HO 路径向外部的高侧NMOS放电，于是外部的高侧NMOS导通，自举电容逐渐放电电压缓慢变低。
因MOS的GS极间内阻非常大，外部的高侧NMOS可以保持导通很永劫光。
【这步相称于将冲好电的自举电容，溘然架空GND，再瞬间转移到到 Vs 和 HO 上，使外部NMOS的GS间电位与自举电容保持同等。
全体过程与电荷泵倍压的事理险些是一样的，只不过这里的充放电频率与HIN、LIN的频率保持同等，而电荷泵倍压一样平常利用内置震荡源】

因 HIN、LIN 输入旗子暗记为PWM，且限定最大占空比为99%，上面过程随PWM周期重复。

NMOS电荷泵高侧驱动IC的一些型号

在IC厂商官网的产品选型页，不是很随意马虎直接搜到 MOS高侧驱动。
一样平常被叫做热插拔掌握器，额外集成了高边差分放大器，对浪涌电流进行保护。

TI的高侧开关产品列表，其MOS都是内部集成的，不能外接NMOS。
好不容易能在电子保险丝和热插拔掌握器中找到个 LM5060。
纯挚的NMOS高侧驱动型号很少，大多都是集成电流保护的热插拔掌握器。

ADI 有专门的热插拔掌握器和高侧栅极驱动器分类，能外接NMOS的型号还是非常多的。
如LTC4380、ADM4210、LTC4440、LTC7000。

随着电机掌握对FOC需求的激增，同时也匆匆使了MOS栅极驱动器的集成度提高，诸如DRV8301、DRV8305 这些集成了三相半桥栅极驱动、DCDC降压、高侧电荷泵涓流充电、多路增益可编程的差分放大器、可调去世区掌握器的驱动器，被越来越多的运用到产品设计上。

3、PMOS高侧电源开关（高侧驱动，稳定、大略）

NMOS做高侧开关的性能比较好，但由于要增加额外的栅极驱动IC，会使电路变得繁芜，本钱也会随之提升。
除开电机掌握和电源转换的场合，一样平常对开通速率、导通内阻、过电流能力无细致需求的话，PMOS无疑是做开关的较好选择。

近年来随着MOS工艺的升级，PMOS的参数还是较NMOS差，但导通内阻<10m欧的PMOS型号越来越多了。
PMOS做高侧开关的最大上风，是不用电荷泵驱动，大略方便，还降落本钱。

下图是PMOS做高侧开关的电路，CONTROL为掌握旗子暗记，电平范围为0~VCC。

CONTROL为0V时，Vgs<导通阀值，PMOS开通，负载事情。

CONTROL为VCC时，Vgs>导通阀值，PMOS关断，负载停机。