MOS管的应用电路

MOS管的应用电路1.概述芯片的集成度虽然越来越高，但是整个电路功能的实现，还是离不开分离器件的搭配，本文就针对笔者在实际工作中的关于MOS管（三极管）的应用做一些整理。本文所介绍的功能，使用三极管也是可以的，但是实际应用中，多使用MOS管，故本文多以MOS管进行说明。2.应用2.1NMOS开关控制如图，通过NMOS的开关作用，完成对LED的亮灭控制。此时MOS管工作于截止区和可变电阻区。控制端状态LED0为高电平点亮LEDLED0为低电平LED熄灭对于NMOS，当Vgs=Vg-Vs>0时，NMOS导通；当Vgs=Vg-Vs<0时，NMOS断开。2.2PMOS电源控制2.2.1IO控制PMOS在整个电路系统中，其中某一部分的电路上电通过控制中可以方便用于通断控制。上图的电路中，使用时需要注意的一点是VCC_IN与控制端的电平PWR_CON要处于同一标准（eg：VCC_IN=3.3V；PWR_CON高电平=3.3V）。控制端状态PWR_CON为高电平PMOS断开，VCC_OUT

无电压输出PWR_CON为低电平PMOS导通，VCC_OUT

有电压输出，VCC_IN≈VCC_OUT对于PMOS，当Vgs=Vg-Vs<0时，PMOS导通；当Vgs=Vg-Vs>0时，PMOS断开。因为MOS管的导通压降是非常小的，所以在Rds之上的能量损耗是比较少的。2.2.2NMOS控制PMOS进一步地，上图的电路可以扩展为下图，PMOS的栅极通过NMOS来控制。拓展为此电路，针对VCC_IN与PWR_CON电压就没有强制的要求了。当PWR_CON为高电平的时候，NMOS导通，PMOS的栅极被拉低到低电平，PMOS导通，VCC_OUT有电压输出；反之，当PWR_CON为低电平时，NMOS关断，从而使PMOS也断开，这样就完成了VCC_IN输出电压到VCC_OUT的控制。2.2.3按键上电控制上图的电路，就可以完成所谓的按键开机的功能。（1）按下K1按键，PMOS的栅极被拉低，Vgs<0，PMOS导通，VCC_OUT有电压输出；（2）VCC_OUT有电压输出，按键按下时可完成对MCU的供电，然后软件端通过MCU的GPIO进而控制NMOS的栅极，即PWR_CON。先通过KEY_DET检测到按键动作，然后把PWR_CON设置为高电平，NMOS导通，使得PMOS也导通，这时候抬起按键，VCC_OUT一端也有电压稳定输出，就实现了按键上电开机的功能。此电路的二极管，功能是防止电压反窜和对MCU的GPIO的保护。功能流程：2.3反相（非门逻辑）如果电路中需要实现逻辑非的功能，可以采用MOS管（三极管）加上电阻来实现，如下图所示：控制端状态INPUT为高电平OUTPUT为低电平INPUT为低电平OUTPUT为高电平通过一个MOS管（三极管）加上两个电阻，就可以实现非门的逻辑。具体的应用可参考本文：再学SPI——（一）SPI片选信号2.4电池防反接功能在大多数的电池防反接电路中，常选择压降小的二极管（如：肖特基二极管）来完成，但是针对如3.7V锂电池的应用场景，肖特基约为0.2V的压降天然的造成了电池容量的浪费，而MOS管导通的低压降（Vds）就有很大的优势了。如上图所示，PMOS在此处的作用就是防止VBUS存在时，LDOVin端的电压反窜到电池上。原理分析：（1）当USBVBUS存在时，PMOS的栅极电压Vg=5V，源极电压Vs=3.7V（假设此时的电池电压为3.7V），Vgs=5-3.7=1.3V（大于0），此时PMOS关断，就起到了防止Vin端电压反窜的作用；（2）当USBVBUS不存在时，PMOS的栅极通过10K的电阻下拉到GND，因此栅极电压Vg=0V，源极电压Vs=3.7V（假设此时的电池电压为3.7V），电池通过PMOS自身的寄生二极管使得Vs=3.7V，所以PMOS的导通电压Vgs=0-3.7=-3.7V，PMOS导通，这样就完成了电池电压到Vin端的输入。上图的LDO电路，只要使能端LDO_CON给一个开启信号，输出端V_3V3就可以稳定输出3.3V，C3、C4为LDO的输入输出电容，一般大于1uF（具体参考数据手册取值）。具体的应用可参考本文：电源防反接小结2.5IO通信双向切换在一些设备中，如果两个通过IO连接的器件，某一时刻，一个处于休眠，一个处于掉电，这时候就会导致休眠的器件向掉电的器件灌入电流，为了完全杜绝此状态下的电路窜入，可采取如下电路的设计（比如：I2C的SDA信号）原理分析：M_DATAS_DATA导通状态方向高电平高电平Vgs=0V，MOS管截止M_DATA--->S_DATA低电平低电平Vgs>0V，MOS管导通M_DATA--->S_DATAS_DATAM_DATA导通状态方向高电平高电平M_DATA通过上拉电阻R9设置成高电平，MOS管截止S_DATA--->M_DATA低电平低电平S_DATA=0，NMOS的寄生二极管导通，进而使得Vgs>0，MOS管导通，M_DATA为低电平S_DATA--->M_DATA如上面两个方向的表格分析，这样通过NMOS就完成了一个IO双向通信的控制。（只能选择NMOS，不可选择PMOS，原因读着可以自行分析一下）2.63.3V与5V的电平转换（1）MOS实现：在实际的应用中，常会遇到通信的两个芯片之间的电平不匹配的问题，这时候就需要通过外部的电路来完成电平匹配的工作（如：MCU的电平为3.3V，而外设的电平为5V）。原理分析：3V3_DATA5V_DATA导通状态方向高电平高电平Vgs=0V，MOS管截止3V3_DATA--->5V_DATA低电平低电平Vgs>0V，MOS管导通3V3_DATA--->5V_DATA通过3.3V端高低电平的变化，使得NMOS对应开关，就完成了3.3V电平到5V电平的转换。5V_DATA3V3_DATA导通状态方向高电平高电平MOS管截止，3V3_DATA通过上拉电阻R12设置成高电平5V_DATA--->3V3_DATA低电平低电平5V_DATA=0，NMOS的寄生二极管导通，进而使得Vgs>0，MOS管导通，M_DATA为低电平5V_DATA--->3V3_DATA反之，也完成了对5V设备的数据的读取。注：此电路用三极管也可以实现同样的功能，如下图：（2）两级NPN实现：如下图所示，3.3V与5V之间的电平转换，也可以通过两级的NPN三极管来实现。原理分析：3V3_DATA5V_DATA导通状态方