為什么PMOS比NMOS的溝道導通電阻大,速度慢,價格高-透徹詳解


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在前一節,我們對PMOS與NMOS兩種增強型場效應管的開關電路作了詳細的介紹, 並且還提到過一種廣為流傳的說法:相對於NMOS管,PMOS管的溝道導通電阻更大、速度更慢、成本更高等,蝦米情況?我們還是從頭說起吧!

 

如果讀者有一定的電子技術應用經驗的話,對NMOS管開關電路的使用場合肯定是如數家珍,幾乎所有的開關電源拓撲都偏向於使用NMOS管(而不是PMOS管),如正激、反激、推挽、半橋、全橋等拓撲,NMOS管的應用電路案例真心不要太多,如下圖所示(當然,這些也並不全是完全獨立的,比如ZCS正激推挽):

 

如果讓大家舉個PMOS管實際應用電路,恐怕大多數讀者除了下圖所示的電源開關控制電路外,實在是想不出更多其它實用電路了。

 

我們暫且不管原因何在,但是NMOS管應用場合遠比PMOS管要廣泛得多,這已經是一個不爭的事實,PMOS管可以做到的NMOS管同樣也可以做到,真應了那句廣告詞:人無我有,人有我優。

我們可以看看國際整流器公司(International Rectifier,IR)官方網站的所有MOS管的分類,如下圖所示:

 

除兩個紅圈所標注的內容是PMOS管外,其它都是NMOS管,並且NMOS管在電壓檔次上比PMOS管要細分得多,從側面可以說明NMOS管的應用場合比PMOS要大得多(因為應用多,所以需求多,繼而型號多),如果你粗略地統計一下PMOS與NMOS型號的數量,NMOS管絕對獨占鰲頭,這又是蝦米情況?

 

有人說:應該是PMOS管在使用的時候控制電路太過復雜,與NMOS管的驅動比較,PMOS還需要額外的三極管,成本太高。那我們繼續往下看

 

如果讀者對電子技術足夠感興趣且好奇心總是不一般的話,應該對降壓型BUCK單片開關電源電路有一定的了解,那你自然會遇到類似下圖所示的電路:(來自TI降壓電源芯片LM2596數據手冊)

 

 

這是我們最常用的BUCK拓撲降壓芯片典型應用電路,地球人幾乎都知道,但是有些降壓芯片應用電路卻稍微有所不同,如下圖所示:(來自TI降壓電源芯片TPS54202H數據手冊)

 

 

看到沒有,與LM2596S芯片相比多了一個BOOST(BST)引腳,一般在該引腳與SW之間串一個小電容,這是為什么呢?

 

有經驗的讀者可能會說:這種芯片是采用同步整流方案(關於同步整流可參考文章【開關電源(1)之BUCK變換器】,簡單的說,就是用MOS管來代替續流二極管,以達到降低損耗繼而提升轉換效率的目的),內部是用兩個NMOS管配合工作的,需要一個自舉升壓電路,所以才需要外接一個電容。沒錯!該芯片開關管結構如下圖所示:

 

然而同步整流方案與使用NMOS管作為開關管之間沒有因果關系,換言之,就算是異步整流方案,芯片也會偏向於使用NMOS管,如下圖所示(來自TI降壓電源芯片LM25011數據手冊):

 

LM25011就是異步整流方案,該芯片的內部開關管的結構如下圖所示(來自TI降壓電源芯片LM25011數據手冊):

 

 

總之一句話:如果內部開關管使用場效應管,那大多數是NMOS管,而PMOS管幾乎(大多數,不是所有)是沒有使用的機會,盡管PMOS管的內心可能在吶喊着:老板,給我一次機會吧,我可以的(就像你內心想對老板吶喊一樣,這種悲壯的心情你肯定是懂的,么么噠)!然而,這並沒有什么卵用。

我們在文章《開關電源(1)之BUCK變換器》中詳細介紹了降壓型BUCK開關電源拓撲,並且還用下圖做了一次仿真:

 

用PMOS管來實現開關切換功能的電路是要多簡潔就有多簡潔,明明一個PMOS管就能搞定的事,非得使用NMOS管還弄個稍顯復雜的自舉電路,就像很多明星,明明可以靠臉吃飯,偏偏要靠才能。然而,芯片廠家就是嫌棄它,你簡潔怎么了?我就是不用你!你自己上思過崖面壁反省去(不是華山派令狐沖呆的那個地方)。

 

同樣的現象也存在於BOOST變換器芯片中,BOOST單片升壓芯片典型應用電路如下圖所示:(來自TI升壓電源芯片LM2577T數據手冊)

 

同樣,有些升壓芯片多了一個BOOST/BST引腳,如下圖所示(來自TI升壓電源芯片TPS61178X數據手冊):

 

  

這里要說明一下:上圖中芯片外圍接有的PMOS管並不是必須的,因為BOOST拓撲由於其本身的特性,在芯片不工作時輸出是無法關閉的(輸出電壓略小於輸入電壓),這與BUCK拓撲不同,如果需要完全關閉電壓輸出,必須額外添加一個PMOS管開關電路,這就是我們在文章開關介紹的PMOS管電源開關控制電路。

 

該芯片的內部開關管的結構如下圖所示(來自TI升壓電源芯片TPS61178X數據手冊):

 

當然,異步整流升壓芯片就沒必要再弄個BST引腳了,因為NMOS管已經是比較理想的架構了,我們在文章《開關電源(2)之BOOST變換器》中也是用NMOS管來仿真的,如下圖所示:

 

PMOS管有時也納了悶了:我招誰惹誰了我,辛辛苦苦勤勤懇懇地工作幾十年,竟然沒人欣賞我,不由得心生“既生瑜,何生亮”之感慨,然則原因何在?

 

前面提到過,PMOS管的導通電阻比NMOS管的導通電阻要大,我們可以找外部參數盡量相同的數據手冊來對比一下,如下圖所示: 

 

在相同的工藝、耐壓等條件下,NMOS導通電阻為0.036W(W就是歐姆的意思,形狀很像符號Ω),而PMOS導通電阻要大得多,其值為0.117Ω,當然,這並不能作為PMOS管的導通電阻比NMOS要大的直接證據,然而事實上,在相同的工藝及尺寸面積條件下,PMOS管的導通電阻確實要比NMOS管要大,這樣PMOS開關管的導通損耗比NMOS要大。

 

將PMOS管應用場合比較少的原因歸結於P溝道導通電阻更大似乎是個比較理想的答案,然而我們還是不禁要問一下:為什么PMOS管的導通電阻比NMOS要大呢?這主要是源自於導通溝道在一個特性方面的差別:電子遷移率(Electron mobility

 

我們在文章《二極管》里講解PN結的時候,已經提到過P型半導體與N型半導體的由來,P型半導體就是在本征半導體(純凈無摻雜的)中摻入3價的元素(如硼元素),其結構如下圖的所示:

 

在合理的范圍內摻入的雜質越多,則多數載流子空穴就更多,P型半導體的導電性也似乎將會變得更好。


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