常用的MOS做電源開關電路的設計

電子工程世界 2024-01-09 09:02

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隨著對器件的控制需求提升，越來越多的電源開關電路出現在設計中。這些設計的目的各有不同：有的需要快速開通與關斷，有的需要低導通電阻+大電流，有的需要閑時0功耗。雖然應用場合不同，但做開關可是MOS的強項。

下面來介紹幾種產品設計中常用的MOS做電源開關的電路。

1、NMOS低側電源開關

【低側驅動，最簡單最實用，但不一定適用所有的電路，會對部分電路的工作有影響】

由于NMOS和PMOS在原理和生產工藝上存在差異，導致同價格的NMOS在開通速度、額定電流、導通內阻這些參數上均優于PMOS，所以設計中盡量優先選擇NMOS。

下圖為使用NMOS，最簡單的開關電路。（低側驅動）

CONTROL為控制信號，電平一般為3~12V。負載一端接電源正極，另一端接NMOS的D（漏極）。

CONTROL電平為高時，Vgs>NMOS的Vgs導通閥值，MOS導通，負載工作。

CONTROL電平為低時，Vgs=0，MOS關斷，負載停機。

1.1、設計時注意事項

1.1.1、泄放電阻 R1

上面這個電路中，通常都會在NMOS的G極、S極間，并聯一個10K左右的電阻。這個電阻通常被叫做泄放電阻，用來泄放GS極間的電荷。加它的原因是因為MOS的GS極間的阻值非常高，通常為M歐以上，并且GS間還有結電容，這就導致GS一旦充電，就很難釋放掉。如果沒有這個泄放電阻，在G極通入高電平，負載會工作，而將G極上的控制信號拿開，由于結電容的存在，GS間的電壓會維持在導通閥值以上很長一段時間，負載仍會繼續工作。而加了泄放電阻，會加快泄放速度，使電路功能更加合理易用。

1.1.2、Vgs電壓范圍對導通速度、導通內阻的影響

通常來講，TO-220、TO-251AA、SOP-8、SO-8（DFN3x3 5x5）、TO-252、TO-263 這些封裝較大的器件，其額定耐壓、額定電流都比較大，Vgs的最大允許范圍一般為± 20V。

因Vgs的驅動電壓越高，MOS的導通電阻就越小，導通速度也越快，所以像電機控制一般多使用12V作為驅動電壓。（見下圖手冊，Vgs=4.5V 和 10V 時，MOS導通內阻的對比）

SOT-23封裝的MOS，其Vgs最大范圍一般為± 12V。

切莫使Vgs超出手冊規定的范圍，會使MOS損壞。

下圖為 IRLR7843 - NMOS 數據手冊的部分內容。

1.1.3、寄生結電容 | 驅動電流 | 柵極驅動器

1.1.3.1、寄生結電容對開斷速率的影響

MOS的GS極間的寄生結電容大小，影響了開斷速度。越小開斷越快，響應越迅速。選型時，應盡量選擇小的，可以有更快的開斷速度，以降低開關損耗。

1.1.3.2、寄生結電容和驅動頻率對驅動電流的需求

MOS的GS極內阻非常大，對外主要體現為容性，低頻時對電流的需求不明顯，而隨著頻率升高，電容充放電頻率的加快，電容的容抗與頻率成反比，容抗變小。

這時在輸入信號的頻率相對較高的條件下，驅動MOS就需要比以前大得多的驅動電流。大到一定程度，MCU端口能提供的幾mA電流就顯然不夠用了，繼續使用MCU端口直驅，一方面會使MCU過載，另一方面會對輸出信號的波形造成衰減，嚴重時會影響NMOS的正常開通。

這種情況，常見于電機控制或者電源轉換。控制信號通常為幾十KHz~幾M的PWM波形。需要使用專用的MOS柵極驅動IC。NMOS的低側驅動IC很簡單，內部大多為一個半橋。市面上使用更多的驅動IC為高側+低側柵極驅動IC，即為NMOS半橋柵極驅動，而單單低側的柵極驅動由于較為簡單，搞個NP對管就能實現相近的效果，即使芯片有很多選擇，也并不常用。

2、NMOS高側電源開關（高側驅動，穩定、性能好）

【也叫高端驅動、高邊驅動，因高端中文容易混淆，所以一般書面形式叫高邊、高側的會多一些】

NMOS做低側開關，是用NMOS將元件的GND浮空，并通過開通GND開開關電路負載。

一般的電路這樣用可能沒什么問題，但有的則不行，例如需要低側電流采樣的電機驅動電路，可能導致工作異常。或者有電源完全斷開的需求，NMOS低側開關顯然不適合。

NMOS的高側柵極驅動，一般需要搭配額外的柵極驅動芯片，這類芯片大體有兩種：

1、集成電荷泵的NMOS高側驅動：一種是內部集成電荷泵的。可允許高側NMOS的持續開通，即允許100%占空比輸入。性能穩定，但柵極驅動器芯片的成本略高。

2、電容浮柵自舉：另一種是通過電容浮柵自舉。需要輸入信號為PWM，通常只允許99%占空比輸入，以在空閑時間給自舉電容充電。這種應用需要限制PWM信號的占空比，不能100%占空比輸入，不能高側持續導通。

電容浮柵自舉電路原理

電機控制和功率變換應用中，較多使用的是電容浮柵自舉，其內部電路形式大多為高側+低側柵極驅動IC，或者叫NMOS半橋柵極驅動IC。其內部集成死區控制器，以防止半橋上下管同時開通，造成短路MOS過流損壞，俗稱炸管。常用型號如 IR2101、IR2104、IR2110、IR2130，市面上的大多數柵極驅動IC多以這幾款IC為仿照藍本。

下面簡述下電容自舉電路的原理，其是如何實現高壓隔離和電容自舉充放電的。個人理解可能有偏頗，還望指正。這里以 IR2101 的手冊為例。

請留意第二張的右上角：

0、圖1右側的TO與LOAD是直接連接的，且 HIN、LIN 的信號近似為差分（一般會額外插入些死區），所以右側半橋輸出的電平，可以近似的看為 0 ~ 600V 的數字信號，輸出不是600V就是0V。這是大前提，這里先不考慮外部負載對上升、下降沿過程的影響，近似看做純數字電路來方便理解。

1、當輸入信號 HIN 為0時，圖2右上角的高側MOS關斷，低側MOS導通。外部高側NMOS的GS通過內部的低側MOS來迅速放電，使外部高側MOS關斷。于此同時，外部低側MOS導通，半橋輸出電平為0V，可近似看作自舉電容的低邊直接接到了GND上，構成了自舉電容的充電回路。這時自舉電容會在二極管的輔助下，擇機充電。

2、當輸入信號 HIN 為1時，圖2右上角的高側MOS導通，低側MOS關斷。自舉電容通過 Vb -> HO 路徑向外部的高側NMOS放電，于是外部的高側NMOS導通，自舉電容逐漸放電電壓緩慢變低。因MOS的GS極間內阻非常大，外部的高側NMOS可以保持導通很長時間。【這步相當于將沖好電的自舉電容，突然架空GND，再瞬間轉移到到 Vs 和 HO 上，使外部NMOS的GS間電位與自舉電容保持一致。整個過程與電荷泵倍壓的原理幾乎是一樣的，只不過這里的充放電頻率與HIN、LIN的頻率保持一致，而電荷泵倍壓一般使用內置震蕩源】

因 HIN、LIN 輸入信號為PWM，且限制最大占空比為99%，上面過程隨PWM周期重復。