下面来介绍几种产品设计中常用的MOS做电源开关的电路。
【低侧驱动,最简单最实用,但不一定适用所有的电路,会对部分电路的工作有影响】
下图为使用NMOS,最简单的开关电路。(低侧驱动)
CONTROL电平为高时,Vgs>NMOS的Vgs导通阀值,MOS导通,负载工作。

1.1.1、泄放电阻 R1
1.1.2、Vgs电压范围 对导通速度、导通内阻的影响
因Vgs的驱动电压越高,MOS的导通电阻就越小,导通速度也越快,所以像电机控制一般多使用12V作为驱动电压。(见下图手册,Vgs=4.5V 和 10V 时,MOS导通内阻的对比)
切莫使Vgs超出手册规定的范围,会使MOS损坏。
1.1.3、寄生结电容 | 驱动电流 | 栅极驱动器
MOS的GS极间的寄生结电容大小,影响了开断速度。越小开断越快,响应越迅速。选型时,应尽量选择小的,可以有更快的开断速度,以降低开关损耗。

MOS的GS极内阻非常大,对外主要体现为容性,低频时对电流的需求不明显,而随着频率升高,电容充放电频率的加快,电容的容抗与频率成反比,容抗变小。

这种情况,常见于电机控制或者电源转换。控制信号通常为几十KHz~几M的PWM波形。需要使用专用的MOS栅极驱动IC。NMOS的低侧驱动IC很简单,内部大多为一个半桥。市面上使用更多的驱动IC为高侧+低侧栅极驱动IC,即为NMOS半桥栅极驱动,而单单低侧的栅极驱动由于较为简单,搞个NP对管就能实现相近的效果,即使芯片有很多选择,也并不常用。
【也叫高端驱动、高边驱动,因高端中文容易混淆,所以一般书面形式叫高边、高侧的会多一些】
一般的电路这样用可能没什么问题,但有的则不行,例如需要低侧电流采样的电机驱动电路,可能导致工作异常。或者有电源完全断开的需求,NMOS低侧开关显然不适合。
1、集成电荷泵的NMOS高侧驱动:一种是内部集成电荷泵的。可允许高侧NMOS的持续开通,即允许100%占空比输入。性能稳定,但栅极驱动器芯片的成本略高。

电容浮栅自举电路原理
下面简述下电容自举电路的原理,其是如何实现高压隔离和 电容自举充放电的。个人理解可能有偏颇,还望指正。这里以 IR2101 的手册为例。
0、图1右侧的TO与LOAD是直接连接的,且 HIN、LIN 的信号近似为差分(一般会额外插入些死区),所以右侧半桥输出的电平,可以近似的看为 0 ~ 600V 的数字信号,输出不是600V就是0V。这是大前提,这里先不考虑外部负载对上升、下降沿过程的影响,近似看做纯数字电路来方便理解。
2、当输入信号 HIN 为1时,图2右上角的 高侧MOS导通,低侧MOS关断。自举电容通过 Vb -> HO 路径向 外部的高侧NMOS放电,于是外部的高侧NMOS导通,自举电容逐渐放电电压缓慢变低。因MOS的GS极间内阻非常大,外部的高侧NMOS可以保持导通很长时间。【这步相当于将冲好电的自举电容,突然架空GND,再瞬间转移到到 Vs 和 HO 上,使外部NMOS的GS间电位与自举电容保持一致。整个过程与电荷泵倍压的原理几乎是一样的,只不过这里的充放电频率与HIN、LIN的频率保持一致,而电荷泵倍压一般使用内置震荡源】
NMOS电荷泵高侧驱动IC的一些型号
TI的 高侧开关产品列表,其MOS都是内部集成的,不能外接NMOS。好不容易能在 电子保险丝和热插拔控制器 中找到个 LM5060。单纯的NMOS高侧驱动型号很少,大多都是集成电流保护的 热插拔控制器。
随着电机控制对FOC需求的激增,同时也促使了MOS栅极驱动器的集成度提高,诸如DRV8301、DRV8305 这些集成了三相半桥栅极驱动、DCDC降压、高侧电荷泵涓流充电、多路增益可编程的差分放大器、可调死区控制器 的驱动器,被越来越多的应用到产品设计 上。
NMOS做高侧开关的性能比较好,但因为要增加额外的栅极驱动IC,会使电路变得复杂,成本也会随之提升。除开电机控制和电源转换的场合,一般对开通速度、导通内阻、过电流能力 无细致需求的话,PMOS无疑是做开关的较好选择。
下图是PMOS做高侧开关的电路,CONTROL为控制信号,电平范围为0~VCC。
CONTROL为VCC时,Vgs>导通阀值,PMOS关断,负载停机。

但MCU或其他控制器的电平一般为固定的3.3V / 5V,而电路的VCC却要在一个很大的范围内变动。这就导致如果使用I/O口直接驱动的话,PMOS不能关断,并且当VCC较大时,还会损坏MCU的I/O口。
如下图,NMOS - Q3负责做电平转换,来驱动Q2 - PMOS的开关。
当CONTROL 为1,Q3开通,Q2的G极电平被拉低为0,Q2 Vgs<导通阀值,PMOS开通,负载工作。
随之而来新的问题:如果VCC电压很高,在PMOS开通时,导致Vgs超出了手册中的Vgs允许范围,也会造成PMOS的损坏。
特别注意:VCC电压较高时,需要重新计算各电阻的热功耗,来确定合适的封装,或者更改阻值。

PMOS做低侧开关的实例实在是少之又少,并且PMOS做低侧开关确实没什么好处,电路复杂且参数较差,不如直接用NMOS,在此不做介绍。
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