PMOS、NMOS高侧和低侧驱动对比分析-KIA MOS管

PMOS和NMOS开关应用

功率MOS管作为常用的半导体开关，其驱动方式有什么特点呢？

首先，我们认为MOS管是电压控制型器件，其正常工作时是不需要电流的（开或关的稳态条件下），只要有维持电压，MOS管即可保持开启或关闭状态。控制电压是作用在G极和S极的。

G极一层极薄的二氧化硅绝缘栅是MOS管工作时不需要电流的原因。先在多数MOS管开启的阈值电压都比较低，拿常用的AO3400来讲，其开启阈值电压只需2.5V。当然更高的GS电压可以降低MOS管自身的导通损耗。

但是特别注意-GS极电压的极限值，GS极电压的极限值，GS极电压的极限值，重要事情说三遍！GS之间的电压有限制值，超过规定值将会导致MOS管的GS击穿损坏。

举个例子，见下图：

上图中是一个简单的PMOS开关电路，使用微控制器可以轻易的控制负载的开启或关断。当微控制器IO输出低电平时MOS管关闭，当微控制器输出高电平时MOS管开启。

看样子这是个简单好用的电路。是的，在电池供电的应用或者低电压应用中这个电路没有问题。那如果将VCC提高的24V或者36V呢？后果可能是MOS管烧糊。

原因就是GS极的电压浮动范围是从VCC一直到GND，这么大的电压浮动范围超过了GS极承受的极限值！所以在实际使用时可能还要按需并联稳压二极管。

刚才我们说MOS管是电压控制型器件，驱动它非常简单，不需要电流。但是同时驱动MOS管又是不简单的，为什么呢？

说简单是因为没有考虑开关速度，当我们需要较高的开关速度时，驱动MOS管又变成了一个难题。因为高速开关时较大的dV/dt意味着较大的瞬态电流（因为开关时需要对GS极的输入电容充放电）。

当驱动电路的输出阻抗较高时，G极电压上升会变慢，导致开关特性变差。假如我们把MOS驱动的输出阻抗想象成一个电阻，把MOS管GS极的电荷容量等效成一个电容，如下图所示：

上图就是一个低通滤波器，这个低通滤波器影响了开关速度的提升。想要改变这个低通滤波器的特性就必须要想办法改变RC时间常数。

首先MOS管GS的输入电容已经确定了，是一个固定值，看来想从电容值上下手是没有办法了，那我们能做的就是减小R值，尽可能减小驱动器的输出阻抗，这样才能使GS以更快的速度充电或放电完毕。

关于MOS管的驱动器设计可采用分立元件搭建，如常用的晶体管图腾柱驱动。若采用IC类集成驱动器可选的常用型号如IR公司的IR2103。

总之想要获得较高的开关速度，MOS管的驱动器设计就会相对更复杂，若对开关速度要求较低（KHz级别）那完全可以做到非常简单。驱动器设计的复杂度或成本与开关速度是成正比的。

最后我们来看一看应用MOS做开关时，开关位于高侧和低侧的驱动条件（假设以GS极为10V驱动）。

A、NMOS低侧开关

上图即是一个常用的NMOS低侧开关，平时G极被电阻拉至GND电平，处于关闭状态。当驱动电压高于GND时，MOS打开。此处假定GND+10V时开启。

B、NMOS高侧开关

上图即是一个NMOS高侧开关，平时G极被电阻拉至GND电平，处于关闭状态。当驱动电压高于VCC时，MOS打开。此处假定VCC+10V时开启（NMOS高侧驱动需要系统提供一个比VCC电源轨更高的电压，需要一个正对正的升压电路）。

C、PMOS高侧开关

上图即是一个PMOS高侧开关，平时G极被电阻拉至VCC电平，处于关闭状态。当驱动电压低于VCC时，MOS打开。此处假定VCC-10V时开启。

D、PMOS低侧开关

上图即是一个PMOS低侧开关（应用中一般不会使用，实际意义有限），平时G极被电阻拉至VCC电平，处于关闭状态。当驱动电压低于GND时，MOS打开。

此处假定GND-10V时开启。（PMOS低侧驱动需要系统提供一个比GND电源轨更低的电压，需要一个正对负的升压电路）。

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