教你如何计算MOS管的开关电路(一)

2023-06-20 14:11:12 来源:硬件系统架构师

★★★ MOS-3---MOS管的开关电路★★★

引言:分立MOS搭建的开关电路在电路设计里面非常常见,在单板的逻辑设计,器件控制,供电控制,供电保护等等方面,都发挥着巨大的作用。使用时如果设计巧妙,简约,不仅可以节约大量物料成本还能增强系统的稳健性(模拟控制比数字控制可靠的多),本节主要讲解MOS搭建的两类基础开关类型。

€1.源极接地型开关


(相关资料图)

如下是NMOS和PMOS的源极接地型开关,所谓源极接地型,即NMOS的源极直连GND,PMOS的源极直连VDD。其中Rg是栅极限流电阻,RP是偏置电阻,RD是主路径限流电阻。

图3-1:NMOS和PMOS源极接地型开关

对于NMOS源极接地型开关,当Ctrl in输入高电平时,NMOS导通,out端直接连GND,输出低电平;当Ctrl in为低电平时,NMOS不导通,out端通过RD连接VDD,输出高电平。

对于PMOS源极接地型开关,当Ctrl in输入高电平(以VDD为基准,VDD-Vin>Vth)时,PMOS不导通,out端被RD下拉至GND,输出低电平;当Ctrl in输入低电平(VDD-Vin

根据上面描述的工作过程,可知源极接地型开关的out和Ctrl in比较,是反相的,所以源极接地型开关又叫反相开关。

€2.源极跟随型开关

如下是NMOS和PMOS的源极跟随型开关,所谓源极跟随型,即NMOS的漏极直连VDD,PMOS的漏极直连GND。其中Rg是栅极限流电阻,RP是偏置电阻,RD是主路径限流电阻。

图3-2:NMOS和PMOS源极跟随器型开关

对于NMOS源极跟随型开关,当Ctrl in输入高电平时,NMOS导通,out端直接连VDD,输出高电平;当Ctrl in为低电平时,NMOS不导通,out端被RD下拉至GND,输出低电平。

对于PMOS源极跟随型开关,当Ctrl in输入高电平(以VDD为基准,Vin-VDD>Vthmax)时,PMOS不导通,out端通过RD连接VDD,输出高电平;当Ctrl in输入低电平(Vin-VDD

根据上面描述的工作过程,可知源极跟随型开关的out和Ctrl in比较,是同相的,所以源极跟随型开关又叫同相开关。

€3.源极接地型和源极跟随型开关设计实例

设计背景:

控制端为MCU的GPIO,高电平1.8V,VDD为5.0V,设计一个LED驱动电路,可以控制LED的亮灭。LED为ROHM的SMLZ24BN3TT86,相关参数如下:

图3-3:LED的最大额定参数

图3-4:LED的标准参数

从上述参数可知,LED正常工作时,导通电流IFMAX=30mA,脉冲峰值电流为100mA,那么控制LED关闭时电流为0mA,导通时电流为20mA,VF=3.3V,明暗就在0-20mA之间变化。

设计分析:

LED点亮时,VF=3.3V,那么导通路径上的电阻分压为5-3.3=1.7V,导通路径电流=0.02A,路径电阻RD=1.7V/0.02A=85Ω。因为路径电流不大,所以不需要选用功率MOS,小信号MOS就可以满足要求。Ctrl in端电压=1.8V,汇总选型参数为:ID>0.02A,VGSTH<1.8V,VDSS>5.0V。

此处选LRC的LSI1012LT1G,具体参数如下:

图3-5:LSI1012LT1G最大额定参数

图3-6:LSI1012LT1G静态参数

VGSth=0.9Vmax,1.8V的VGS可以将MOS完全打开。设计如下:

图3-7:NMOS源极接地型和源极跟随型开关

图3-7可以看到,同样的器件,两种驱动方式,参数是不同的,左图MOS关断时,电流路径为VDD--->RD--->LED--->GND,此时功耗P关=PRD+PLED。MOS导通时,此时功耗P通=PRD+PQ。由于RD比较小,P通会比较大。右图MOS关断时,此时功耗P关=0,MOS导通时,RD比较大,20mA电流都流向LED,此时功耗P通=PLED。(电阻RD上的功耗忽略不计)。两种功耗的差异很明显,但前者是反相,高电平熄灭,低电平点亮,后者是同相,高电平点亮,低电平熄灭。

图3-10是PNP型源极接地型和源极跟随型开关,分析方式和上面类似,选用PMOS型号为LRC的LSI1013LT1G设计源极接地型和源极跟随型开关:

图3-8:LSI1013LT1G最大额定参数

图3-9:LSI1013LT1G电气参数

由于VDD=5V,那么Ctrl in电平的参照就是VDD=5V,Ctrl in最高1.8V,VGS是-5V和-3.2V,均小于VGSTH=-1.3V,都处于导通状态。如果更改VDD为1.8V,当Ctrl in=0V低电平时,VGS=-1.78V<-1.3V,PMOS导通,当Ctrl in=1.8V高电平时,VGS=0V>-0.45V,PMOS关断。更改为VDD=1.8V,LED就需要重新选型。

从上面计算可知使用PMOS设计驱动电路,没有NMOS简单,成本也比较高。

图3-10:PMOS源极接地型和源极跟随型开关

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