PMOS、NMOS高側和低側驅動對比分析-KIA MOS管

PMOS和NMOS開關應用

功率MOS管作為常用的半導體開關，其驅動方式有什么特點呢？

首先，我們認為MOS管是電壓控制型器件，其正常工作時是不需要電流的（開或關的穩態條件下），只要有維持電壓，MOS管即可保持開啟或關閉狀態。控制電壓是作用在G極和S極的。

G極一層極薄的二氧化硅絕緣柵是MOS管工作時不需要電流的原因。先在多數MOS管開啟的閾值電壓都比較低，拿常用的AO3400來講，其開啟閾值電壓只需2.5V。當然更高的GS電壓可以降低MOS管自身的導通損耗。

但是特別注意-GS極電壓的極限值，GS極電壓的極限值，GS極電壓的極限值，重要事情說三遍！GS之間的電壓有限制值，超過規定值將會導致MOS管的GS擊穿損壞。

舉個例子，見下圖：

上圖中是一個簡單的PMOS開關電路，使用微控制器可以輕易的控制負載的開啟或關斷。當微控制器IO輸出低電平時MOS管關閉，當微控制器輸出高電平時MOS管開啟。

看樣子這是個簡單好用的電路。是的，在電池供電的應用或者低電壓應用中這個電路沒有問題。那如果將VCC提高的24V或者36V呢？后果可能是MOS管燒糊。

原因就是GS極的電壓浮動范圍是從VCC一直到GND，這么大的電壓浮動范圍超過了GS極承受的極限值！所以在實際使用時可能還要按需并聯穩壓二極管。

剛才我們說MOS管是電壓控制型器件，驅動它非常簡單，不需要電流。但是同時驅動MOS管又是不簡單的，為什么呢？

說簡單是因為沒有考慮開關速度，當我們需要較高的開關速度時，驅動MOS管又變成了一個難題。因為高速開關時較大的dV/dt意味著較大的瞬態電流（因為開關時需要對GS極的輸入電容充放電）。

當驅動電路的輸出阻抗較高時，G極電壓上升會變慢，導致開關特性變差。假如我們把MOS驅動的輸出阻抗想象成一個電阻，把MOS管GS極的電荷容量等效成一個電容，如下圖所示：

上圖就是一個低通濾波器，這個低通濾波器影響了開關速度的提升。想要改變這個低通濾波器的特性就必須要想辦法改變RC時間常數。

首先MOS管GS的輸入電容已經確定了，是一個固定值，看來想從電容值上下手是沒有辦法了，那我們能做的就是減小R值，盡可能減小驅動器的輸出阻抗，這樣才能使GS以更快的速度充電或放電完畢。

關于MOS管的驅動器設計可采用分立元件搭建，如常用的晶體管圖騰柱驅動。若采用IC類集成驅動器可選的常用型號如IR公司的IR2103。

總之想要獲得較高的開關速度，MOS管的驅動器設計就會相對更復雜，若對開關速度要求較低（KHz級別）那完全可以做到非常簡單。驅動器設計的復雜度或成本與開關速度是成正比的。

最后我們來看一看應用MOS做開關時，開關位于高側和低側的驅動條件（假設以GS極為10V驅動）。

A、NMOS低側開關

上圖即是一個常用的NMOS低側開關，平時G極被電阻拉至GND電平，處于關閉狀態。當驅動電壓高于GND時，MOS打開。此處假定GND+10V時開啟。

B、NMOS高側開關

上圖即是一個NMOS高側開關，平時G極被電阻拉至GND電平，處于關閉狀態。當驅動電壓高于VCC時，MOS打開。此處假定VCC+10V時開啟（NMOS高側驅動需要系統提供一個比VCC電源軌更高的電壓，需要一個正對正的升壓電路）。

C、PMOS高側開關

上圖即是一個PMOS高側開關，平時G極被電阻拉至VCC電平，處于關閉狀態。當驅動電壓低于VCC時，MOS打開。此處假定VCC-10V時開啟。

D、PMOS低側開關

上圖即是一個PMOS低側開關（應用中一般不會使用，實際意義有限），平時G極被電阻拉至VCC電平，處于關閉狀態。當驅動電壓低于GND時，MOS打開。

此處假定GND-10V時開啟。（PMOS低側驅動需要系統提供一個比GND電源軌更低的電壓，需要一個正對負的升壓電路）。

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