常用MOS电源开关电路图 NMOS、PMOS高低侧电源开关电路设计

第第页常用MOS电源开关电路图NMOS、PMOS高低侧电源开关电路设计随着对器件的控制需求提升，越来越多的（电源开关）电路出现在设计中。这些设计的目的各有不同：有的需要快速开通与关断，有的需要低导通电阻+大电流，有的需要闲时0功耗。虽然应用场合不同，但做开关可是MOS的强项。下面来介绍几种（产品）设计中常用的MOS做（电源）开关的电路。

1、NMOS低侧电源开关

【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】

由于NMOS和PMOS在原理和生产工艺上存在差异，导致同价格的NMOS在开通速度、额定（电流）、导通内阻这些参数上均优于PMOS，所以设计中尽量优先选择NMOS。

下图为使用NMOS，最简单的（开关电路）。(低侧驱动)

CONTROL为控制（信号），电平一般为3~12V。负载一端接电源正极，另一端接NMOS的D(漏极)。

CONTROL电平为高时，Vgs>NMOS的Vgs导通阀值，MOS导通，负载工作。

CONTROL电平为低时，Vgs=0，MOS关断，负载停机。

1.1、设计时注意事项

1.1.1、泄放（电阻）R1

上面这个电路中，通常都会在NMOS的G极、S极间，并联一个10K左右的电阻。这个电阻通常被叫做泄放电阻，用来泄放GS极间的电荷。加它的原因是因为MOS的GS极间的阻值非常高，通常为M欧以上，并且GS间还有结（电容），这就导致GS一旦充电，就很难释放掉。如果没有这个泄放电阻，在G极通入高电平，负载会工作，而将G极上的控制信号拿开，由于结电容的存在，GS间的电压会维持在导通阀值以上很长一段时间，负载仍会继续工作。而加了泄放电阻，会加快泄放速度，使电路功能更加合理易用。

1.1.2、Vgs电压范围对导通速度、导通内阻的影响

通常来讲，TO-220、TO-251AA、SOP-8、SO-8(DFN3x35x5)、TO-252、TO-263这些封装较大的器件，其额定耐压、额定电流都比较大，Vgs的最大允许范围一般为±20V。

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)

SOT-23封装的MOS，其Vgs最大范围一般为±12V。

切莫使Vgs超出手册规定的范围，会使MOS损坏。

下图为IRLR7843-NMOS数据手册的部分内容。

1.1.3、寄生结电容|驱动电流|（栅极驱动）器

1.1.3.1、寄生结电容对开断速率的影响

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。

1.1.3.2、寄生结电容和驱动频率对驱动电流的需求

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。

容抗公式

这时在输入信号的频率相对较高的条件下，驱动MOS就需要比以前大得多的驱动电流。大到一定程度，（MCU）（端口）能提供的几mA电流就显然不够用了，继续使用MCU端口直驱，一方面会使MCU过载，另一方面会对输出信号的波形造成衰减，严重时会影响NMOS的正常开通。

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。

2、NMOS高侧电源开关(高侧驱动，稳定、性能好)

【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】

NMOS做低侧开关，是用NMOS将元件的GND浮空，并通过开通GND开开关电路负载。

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。

NMOS的高侧栅极驱动，一般需要搭配额外的栅极驱动芯片，这类芯片大体有两种：

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。

2、电容浮栅自举：另一种是通过电容浮栅自举。需要输入信号为PWM，通常只允许99%占空比输入，以在空闲时间给自举电容充电。这种应用需要限制PWM信号的占空比，不能100%占空比输入，不能高侧持续导通。

电容浮栅自举（电路原理）

电机控制和功率变换应用中，较多使用的是电容浮栅自举，其内部电路形式大多为高侧+低侧栅极驱动IC，或者叫NMOS半桥栅极驱动IC。其内部集成死区（控制器），以防止半桥上下管同时开通，造成短路MOS过流损坏，俗称炸管。常用型号如IR2101、IR2104、IR2110、IR2130，市面上的大多数栅极驱动IC多以这几款IC为仿照蓝本。

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。

请留意第二张的右上角：

0、图1右侧的TO与LO（AD）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。

1、当输入信号HIN为0时，图2右上角的高侧MOS关断，低侧MOS导通。外部高侧NMOS的GS通过内部的低侧MOS来迅速放电，使外部高侧MOS关断。于此同时，外部低侧MOS导通，半桥输出电平为0V，可近似看作自举电容的低边直接接到了GND上，构成了自举电容的充电回路。这时自举电容会在（二极管）的辅助下，择机充电。

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】

因HIN、LIN输入信号为PWM，且限制最大占空比为99%，上面过程随PWM周期重复。

NMOS电荷泵高侧驱动IC的一些型号

在IC（厂商）官网的产品选型页，不是很容易直接搜到MOS高侧驱动。一般被叫做热插拔控制器，额外集成了高边（差分放大器），对浪涌电流进行保护。

（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。

（ADI）有专门的热插拔控制器和高侧栅极驱动器分类，能外接NMOS的型号还是非常多的。如LTC4380、ADM4210、LTC4440、LTC7000。

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、（DC）DC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。

3、PMOS高侧电源开关(高侧驱动，稳定、简单)

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。

近年来随着MOS工艺的升级，PMOS的参数还是较NMOS差，但导通内阻导通阀值，PMOS关断，负载停机。

注意上图这里的输入信号CONTROL，其低电平要保证Vgs能使PMOS开通;又要限制Vgs不能小于手册上的最小允许电压，以避免PMOS损坏。

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。

所以PMOS做高侧开关时，一般搭配一个小电流的NMOS或者NPN管，来做驱动电平转换。

如下图，NMOS-Q3负责做电平转换，来驱动Q2-PMOS的开关。

当CONTROL为0时，Q3关断，Q2的G极电平被拉高为VCC，Q2-PMOS关断，负载停机。

当CONTROL为1，Q3开通，Q2的G极电平被拉低为0，Q2Vgs

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