隨着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,但這都是MOS適用的強項。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做電源開關(低端驅動,最簡單)
由於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於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。(低端驅動)
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,並聯一個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,並且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,由於結電容的存在,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
通常來講,TO-220、TO-251AA、SOP-8、SO-8(DFN3x3)、TO-252、TO-363 這些封裝比較大的器件,通常額定耐壓、額定電流都比較大,Vgs的最大允許范圍一般為± 20V。
由於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。
SOT-23封裝的Vgs最大范圍一般為± 12V。
切莫使Vgs超出手冊規定的范圍,會導致MOS損壞。
下圖為 IRLR7843 - NMOS 的部分數據手冊。
1.1.3、寄生結電容 | 驅動電流 | 柵極驅動器
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。
因為MOS的GS極為容性,高頻驅動時需要很大的驅動電流。這時就不能使用MCU的IO口直接驅動了,需要使用專用的MOS柵極驅動IC。NMOS的低端驅動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,而單單低側的柵極驅動由於較為簡單,搞個NP對管就能實現相近的效果,即使芯片有很多選擇,也並不常用。
下圖為,TI官網的柵極驅動器選型表。
2、NMOS做電源開關(高端驅動,穩定,性能好)
上面的用法,是用NMOS將元件的GND浮空,並通過開通GND實現電路負載的開關。
一般的電路這樣用可能沒什么問題,但有的就不行了,例如需要低側電流采樣的電機驅動電路。
NMOS的高端柵極驅動,大體分為兩種。
一種是帶電荷泵的。可允許高側NMOS的持續開通。性能穩定,但成本略高。
另一種是通過電容浮柵自舉。需要輸入信號為PWM脈沖,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。
其中應用較多的是電容浮柵自舉,且類型大多為高側+低側柵極驅動IC,或者叫MOS半橋柵極驅動IC。其內部集成了死區控制器,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。
隨着電機控制對FOC需求的激增,同時也促使了MOS柵極驅動器的集成度提高,諸如DRV8301、DRV8305 這些集成了三相半橋柵極驅動、DCDC降壓、多路增益可編程的差分放大器的驅動器,被越來越多的應用到產品上。並且還克服了最大占空比輸入為99%的缺點,使用涓流充電電路來補償自舉電容泄漏的電流,以支持 100%占空比運行。
TI的高側驅動器型號,可在 電源管理 - 電源開關 - 高側開關 下尋找。
3、PMOS做電源開關(高端驅動,穩定,簡單)
NMOS做高端開關雖然比較好,但由於需要增加額外的柵極驅動IC,會使電路變得復雜,成本也會提升。不過除了電機控制的場合,一般對開通速度、導通內阻、過電流能力 無細致需求的話,PMOS無疑是做開關的較好選擇。
下圖是PMOS做高端開關的電路,CONTROL為控制信號,電平為0~VCC。
CONTROL為0V時,Vgs<導通閥值,PMOS開通,負載工作。
CONTROL為VCC時,Vgs>導通閥值,PMOS關斷,負載停機。
注意上圖這里的輸入信號 CONTROL,其電平要保證Vgs能使PMOS開通;又要在拉低時,限制Vgs不能小於最小允許電壓,避免PMOS損壞。
但MCU或其他控制器的電平一般為固定的3.3V / 5V,而VCC卻要在一個很大的范圍內變動。這就導致如果使用I/O口直接驅動的話,PMOS不能關斷,並且當VCC較大時,還會損壞MCU的I/O口。
所以PMOS做高端開關時,一般搭配一個小電流的NMOS或者NPN管,來做驅動電平轉換。
如下圖,NMOS - Q3負責做電平轉換,來驅動Q2 - PMOS的開關。
當 CONTROL 為0時,Q3關斷,Q2的G極電平被拉高為VCC,Q2 - PMOS關斷,負載停機。
當CONTROL 為1,Q3開通,Q2的G極電平被拉低為0,Q2 Vgs<導通閥值,PMOS開通,負載工作。
隨之而來新的問題:如果VCC電壓很高,在PMOS開通時,導致Vgs超出了手冊中的Vgs允許范圍,也會造成PMOS的損壞。
為了避免損壞PMOS的柵極,在上面的電路中,添加一個穩壓管和電阻,來達到鉗位的作用,使Vgs最小不低於-12V,以保護Q2的柵極。(見下圖)
特別注意:VCC電壓較高時,需要重新計算各電阻的熱功耗,來確定合適的封裝,或者更改阻值。
PMOS做低端開關的實例實在是少之又少,並且PMOS做低端開關確實沒什么好處,電路復雜且參數較差,不如直接用NMOS,在此不做介紹。
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