PMOS做固态继电器,PMOS做高侧双向开关电路,PMOS防电流倒灌电路,PMOS电源防反接电路
用MOS做高侧开关
时,PMOS
比NMOS
更便于控制:1、不用额外的电荷泵升压;2、只要将栅极拉低和置高就能控制通断。随着半导体工艺的进步,PMOS在导通内阻
上的参数也逐渐好转,使得PMOS在电流不是特别大、对压降不是特别敏感的高侧开关
场合,拓宽了应用。
下面列举一些PMOS做电源防倒灌
、防电源反接
、固态开关
的电路。
1、PMOS防电源反接(电流倒灌实例)
上述两张图的电路可用于防电源反接
,但不防电源倒灌
,来分析这个电路:
1、电源从左侧正常输入时:
- 当VCC有效时,PMOS的
体二极管
率先导通,随后S极
的电压由先前的0V
变成了(VCC-0.7)
,此时Vgs
= 0 -(VCC-0.7)=-VCC+0.7
。 - 一般PMOS的
G极
导通阀值为-1~2V,而绝大多数的电源电压差都要超过这个值。故Vgs超出G极导通阀值,Q1完全导通
。 - 随着Q1完全导通,Q1的
DS两端
的电位差被拉低到(此时的导通内阻 x 流过的电流)
,这个值一般都很小,远小于0.7V,Q1的体二极管被短路关断,并且Q1持续导通。 - 之后VCC向负载正常供电。负载的电压取决于MOS的压降,压降为
MOS的导通内阻
xDS电流
。较小的导通内阻
可获得很低的压降、很低的发热、很高的负载效率。因为MOS的导通内阻通常为几mΩ~几十mΩ,在几A的电流下压降仅仅0.0x ~ 0.xV,比肖特基二极管的0.3V更为高效。(并且二极管的压降并不是固定的,根据二极管的特性曲线得知,电流越大压降也会变得越大,所以现在的高效率电路都在用MOS来替代二极管,如DCDC的同步整流
方案:省略了外部的二极管,降低了整体发热,提高了输出效率,提高了可输出电流,便于集成为单芯片转换器,减少了占地面积) - 因为MOS的
开通速度
非常迅速,所以不用担心体二极管
因电流过大造成损坏,器件的电流上升都有一个过程,而在过程刚开始的几ns,可能PMOS就已完全导通,体二极管之后就会被短路关断。
注意:图上的稳压管D1,是为了防止VCC>12V,造成MOS的G极损坏。分析电路时,可去掉稳压管来分析。
2、VCC和GND反接,电路保护:
- 因为Q1的
体二极管反接
,始终处于关断
状态,即使负载为0Ω的通路,S极
的电位也始终保持与G极
相等,Q1始终处于关断状态。电路关断,起到电源反接保护的作用。
如果觉得不够形象,可看视频:PMOS用于保护电源反接
2、电源倒灌的情形
还是上面那两张图,如果假设负载是个电池,而VCC并不是一直供电的情况。
负载输出电流,会造成负载向左侧电源端的电流倒灌:
- 假设右侧的负载就是个电池,电压为
Vb
。 - 当VCC无效时,PMOS的
S极
直接连接负载电源,G极电位为0。此时Q1的 Vgs = 0 - Vb。故只要负载输出的电压Vb 超出 Vgs最小导通阀值,就会造成PMOS导通,电流从右向左倒灌
。进而可能引起电路上的一系列故障。 - 并且图2因为稳压管在左侧,需要PMOS先开通才能钳位Vgs,极端条件下很有可能造成MOS损坏。
那怎么处理,在上述条件下,电流的倒灌??
3、固态继电器电路(防倒灌,需要一个I/O额外控制开关)
可以防电流倒灌
,并且不需要额外控制I/O的电路,还没找到。(如果真的有,那用处就很多了,如:理想二极管、单向开关。NMOS的理想二极管芯片太贵了,还望知情人士指导)
但可以通过增加一控制I/O,控制开通。并且能在主动关断时,防止倒灌。
如上这个电路,这个电路广泛使用在 电源管理
、充电控制
上,可参照这个手册第4/5页面:
IP2716 集成PD、QC高压快充协议的电源管理 SOC
这个电路好就好在它是个双向开关
,而且可完全控制开通/关断
,完全可以替代机械继电器来做固态继电器
(前提是输入的信号电压不能太低,起码超出PMOS的G极导通电压范围)。下面来分析原理:
CONTROL电平为高,电路开通,双向导通:
- 如
CONTROL
电平为高,则Q4 NMOS开通,Q2、Q3的G极电位均被拉低到0V。 - Q2的
体二极管
率先导通,Q2的S极电平为VCC-0.7V,因为G极电平为0,所以满足开通条件,Q2完全导通。 - 而Q3此时的S极与Q2的S极相连,电位相同,均为VCC。并且G极电平为0,也满足开通条件,Q3也完全导通。之后VCC向负载正常供电。
- 反过来,如果VCC=0,而负载是电压源,也同样导通,只不换成了Q3的
体二极管
先导通,然后再轮到Q2。
CONTROL电平为低,电路完全关断:
CONTROL
电平为低,Q2、Q3都会被关断,并且R2持续上拉,保持Vgs=0,两个PMOS全部处于完全关断状态。并且因为Q2、Q3的体二极管是反向串联的,所以无论从左还是从右侧,流经DS的电流只有反向漏电流,几乎是没有的。
4、与之类似的开关电路还有
上面的开关电路固然非常好,但需要的元件数量的比较多,并且需要串联两个PMOS,会对负载效率
和成本
造成一定的影响。
如果只由一侧向另一侧供电,不考虑也不存在电流倒灌
的情景。(实际中大多是是这种情景)来设计一个高侧开关
的话,可以是下面这种样式:
下图能控制开通/关断
,但不能防止电流倒灌。(体二极管会导通)
5、PMOS做理想二极管、单向开关的疑惑
amobbs论坛对PMOS理想二极管的讨论,最终无疾而终:https://www.amobbs.com/thread-4945419-1-1.html
RPI 3B电源电路 - 输入理想二极管的分析:https://www.brobwind.com/archives/1204
https://www.amobbs.com/thread-5658515-1-1.html
(但由于对器件参数要求高,不便于实际应用。总之还是用专用理想二极管芯片做比较靠谱,如LM5050、LT4320这些)
LM5050这些芯片是用电荷泵
、精密比较器
,来控制NMOS做高侧开关。如果用两个S极背靠背的PMOS做总电路开关,并且外置精密比较器
,应该也能达到同样效果,不过貌似这样搞反倒不如单个NMOS方便,并且导通内阻肯定也没单管NMOS方案的参数好。
如有知情如何用PMOS做理想二极管
的方法,望高人指导。
更多实用的MOS应用技巧,参见同专栏:
MOS做电源开关的实用电路,NMOS低端驱动与PMOS高端驱动
MOS做电源反接保护
MOS做双电源自动切换
MOS做 3.3/5V IIC电平转换
PMOS做固态继电器,PMOS做高侧双向开关电路,PMOS防电流倒灌电路,PMOS电源防反接电路相关推荐
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