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  下图是两种PMOS管经典开关电路应用:其中第一种NMOS管为高电平导通,低电平截断,Drain端接后面电路的接地端;第二种为PMOS管典型开关电路,为高电平断开,低电平导通,Drain端接后面电路的VCC端。

  首先要进行MOSFET的选择,MOSFET有两大类型:N沟道和P沟道。在功率系统中,MOSFET可被看成电气开关。当在N沟道MOSFET的栅极和源极间加上正电压时,其开关导通。导通时,电流可经开关从漏极流向源极。漏极和源极之间存在一个内阻,称为导通电阻RDS(ON)。必须清楚MOSFET的栅极是个高阻抗端,因此,总是要在栅极加上一个电压。这就是后面介绍电路图中栅极所接电阻至地。如果栅极为悬空,器件将不能按设计意图工作,并可能在不恰当的时刻导通或关闭,导致系统产生潜在的功率损耗。当源极和栅极间的电压为零时,开关关闭,而电流停止通过器件。虽然这时器件已经关闭,但仍然有微小电流存在,这称之为漏电流,即IDSS。

  为设计选择正确器件的第一步是决定采用N沟道还是P沟道MOSFET。在典型的功率应用中,当一个MOSFET接地,而负载连接到干线电压上时,该MOSFET就构成了低压侧开关。在低压侧开关中,应采用N沟道MOSFET,这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当MOSFET连接到总线及负载接地时,就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用PMOS管经典开关电路,这也是出于对电压驱动的考虑。

  第二步是选择MOSFET的额定电流。视电路结构而定,该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似,设计人员必须确保所选的MOSFET能承受这个额定电流,即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰。该参数以FDNP管DATASHEET为参考,参数如图所示:

  在连续导通模式下,MOSFET处于稳态,此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流,只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。

  选好额定电流后,还必须计算导通损耗。在实际情况下,MOSFET并不是理想的器件,因为在导电过程中会有电能损耗,这称之为导通损耗。MOSFET在“导通”时就像一个可变电阻,由器件的RDS(ON)所确定,并随温度而显著变化。器件的功率耗损可由Iload×RDS(ON)计算,由于导通电阻随温度变化,因此功率耗损也会随之按比例变化。对MOSFET施加的电压VGS越高,RDS(ON)就会越小;反之RDS(ON)就会越高。对系统设计人员来说,这就是取决于系统电压而需要折中权衡的地方。对便携式设计来说,采用较低的电压比较容易(较为普遍),而对于工业设计,可采用较高的电压。注意RDS(ON)电阻会随着电流轻微上升。关于RDS(ON)电阻的各种电气参数变化可在制造商提供的技术资料表中查到。

  选择MOSFET的下一步是计算系统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况,即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果,因为这个结果提供更大的安全余量,能确保系统不会失效。在MOSFET的资料表上还有一些需要注意的测量数据;比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻,以及最大的结温。

  器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积(结温=最大环境温度+[热阻×功率耗散])。根据这个方程可解出系统的最大功率耗散,即按定义相等于I×RDS(ON)。由于设计人员已确定将要通过器件的最大电流,因此可以计算出不同温度下的RDS(ON)。值得注意的是,在处理简单热模型时,设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/环境的热容量;即要求印刷电路板和封装不会立即升温。

  通常,一个PMOS管经典开关电路PMOS管,会有寄生的二极管存在,该二极管的作用是防止源漏端反接,对于PMOS而言,比起NMOS的优势在于它的开启电压可以为,而DS电压之间电压相差不大,而NMOS的导通条件要求VGS要大于阈值,这将导致控制电压必然大于所需的电压,会出现不必要的麻烦。选用PMOS作为控制开关,有下面两种应用:

  第一种应用,PMOS管经典开关电路由PMOS来进行电压的选择,当VV存在时,此时电压全部由VV提供,将PMOS关闭,VBAT不提供电压给VSIN,而当VV为低时,VSIN由V供电。注意R的接地,该电阻能将栅极电压稳定地拉低,PMOS管经典开关电路确保PMOS的正常开启,这也是前文所描述的栅极高阻抗所带来的状态隐患。D和D的作用在于防止电压的倒灌。D可以省略。这里要注意到实际上该电路的DS接反,这样由附生二极管导通导致了开关管的功能不能达到,实际应用要注意。

  来看这个电路,控制信号PGC控制V.是否给P_GPRS供电。此电路中,源漏两端没有接反,R与R存在的意义在于R控制栅极电流不至于过大,R控制栅极的常态,将R上拉为高,截至PMOS,同时也可以看作是对控制信号的上拉,当MCU内部管脚并没有上拉时,即输出为开漏时,并不能驱动PMOS关闭,此时,就需要外部电压给予的上拉,所以电阻R起到了两个作用。R可以更小,到欧姆也可。

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