N沟道和P沟道MOSFET开关电路

在电路中常见到使用MOSFET场效应管作为开关管使用。下面举例进行说明。

图1  如图1所示，使用了P沟道的内置二极管的电路，此处二极管的主要作用是续流作用，电路是锂电池充放电电路，当外部电源断开时采用Li电池进行内部供电，即+5V电源断开后Q1的G极为低电平，S极和D极导通，为系统供电。图中D2和D3的一方面是降压的作用，使5V降为4V（D2为锗管压降为0.2V，D3硅管压降为0.7V）。

图2  图2 工作原理同图1，也使用了内置续流二极管的P沟道MOSFET

图3  图3使用了内置续流二极管的N沟道的MOSFET

此电路是应用于开关时序的，当3.3V_SB为低电平时Q18、Q19不导通，5V时钟数据转3.3V时钟数据不导通；当3.3V_SB为高电平时5V时钟数据转3.3V时钟数据。

选用N沟道还是P沟道确定额定电流确定热要求：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。

第一步：选用N沟道还是P沟道

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P沟道MOSFET，这也是出于对电压驱动的考虑。

第二步：确定额定电流

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FDN304P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Iload2×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。

第三步：确定热要求

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I2×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，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0，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，由PMOS来进行电压的选择，当V8V存在时，此时电压全部由V8V提供，将PMOS关闭，VBAT不提供电压给VSIN，而当V8V为低时，VSIN由8V供电。注意R120的接地，该电阻能将栅极电压稳定地拉低，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。D9和D10的作用在于防止电压的倒灌。D9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V4.2是否给P_GPRS供电。此电路中，源漏两端没有接反，R110与R113存在的意义在于R110控制栅极电流不至于过大，R113控制栅极的常态，将R113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R113起到了两个作用。R110可以更小，到100欧姆也可。

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