N溝道和P溝道MOSFET開關電路

在電路中常見到使用MOSFET場效應管作為開關管使用。下面舉例進行說明。

圖1  如圖1所示，使用了P溝道的內置二極管的電路，此處二極管的主要作用是續流作用，電路是鋰電池充放電電路，當外部電源斷開時采用Li電池進行內部供電，即+5V電源斷開后Q1的G極為低電平，S極和D極導通，為系統供電。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，也使用了內置續流二極管的P溝道MOSFET

圖3  圖3使用了內置續流二極管的N溝道的MOSFET

此電路是應用于開關時序的，當3.3V_SB為低電平時Q18、Q19不導通，5V時鐘數據轉3.3V時鐘數據不導通；當3.3V_SB為高電平時5V時鐘數據轉3.3V時鐘數據。

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。在功率系統中，MOSFET可被看成電氣開關。當在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時，其開關導通。導通時，電流可經開關從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內阻，稱為導通電阻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，器件將不能按設計意圖工作，并可能在不恰當的時刻導通或關閉，導致系統產生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時，開關關閉，而電流停止通過器件。雖然這時器件已經關閉，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。在典型的功率應用中，當一個MOSFET接地，而負載連接到干線電壓上時，該MOSFET就構成了低壓側開關。在低壓側開關中，應采用N溝道MOSFET，這是出于對關閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOSFET連接到總線及負載接地時，就要用高壓側開關。通常會在這個拓撲中采用P溝道MOSFET，這也是出于對電壓驅動的考慮。

第二步：確定額定電流

第二步是選擇MOSFET的額定電流。視電路結構而定，該額定電流應是負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，即使在系統產生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續模式和脈沖尖峰。該參數以FDN304P管DATASHEET為參考，參數如圖所示：

在連續導通模式下，MOSFET處于穩態，此時電流連續通過器件。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，還必須計算導通損耗。在實際情況下，MOSFET并不是理想的器件，因為在導電過程中會有電能損耗，這稱之為導通損耗。MOSFET在“導通”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。對系統設計人員來說，這就是取決于系統電壓而需要折中權衡的地方。對便攜式設計來說，采用較低的電壓比較容易(較為普遍)，而對于工業設計，可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升。關于RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在制造商提供的技術資料表中查到。

第三步：確定熱要求

選擇MOSFET的下一步是計算系統的散熱要求。設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果，因為這個結果提供更大的安全余量，能確保系統不會失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數據；比如封裝器件的半導體結與環境之間的熱阻，以及最大的結溫。

器件的結溫等于最大環境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結溫=最大環境溫度+[熱阻×功率耗散])。根據這個方程可解出系統的最大功率耗散，即按定義相等于I2×RDS(ON)。由于設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，設計人員還必須考慮半導體結/器件外殼及外殼/環境的熱容量；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的導通條件要求VGS要大于閾值，這將導致控制電壓必然大于所需的電壓，會出現不必要的麻煩。選用PMOS作為控制開關，有下面兩種應用：

第一種應用，由PMOS來進行電壓的選擇，當V8V存在時，此時電壓全部由V8V提供，將PMOS關閉，VBAT不提供電壓給VSIN，而當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通導致了開關管的功能不能達到，實際應用要注意。

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，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MCU內部管腳并沒有上拉時，即輸出為開漏時，并不能驅動PMOS關閉，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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