用單PMOS怎么做分立式負載開關

分立式PMOS負載開關

本文分析PMOS用作高邊負載開關天生的優勢以及設計方法。

1.負載開關的類型

圖3-1：NMOS和PMOS寄生模型

在深入研究關鍵參數之前，我們先來看看不同類型的負載開關。高壓側負載開關將負載與電源連接或斷開，由外部啟用信號控制開關將高壓側電源電流切換到負載。而低壓側開關將負載與地連接或斷開，從而從負載吸收電流。

負載開關可以容易地用MOSFET實現，MOSFET將電流從電源傳遞到負載，并通過控制信號接通或斷開。將控制信號提供給MOSFET的柵極驅動電路以接通或斷開MOSFET。

2.P溝道高側負載開關

使用P溝道MOSFET，通過將輸入電壓連接到MOSFET源極，將負載連接到MOSFET漏極，可以實現高側負載開關，見 圖3-2， 將柵極拉低將使電流流入負載Rload。

圖3-2：增強型P-ch MOS高邊負載開關

3.P溝道高側負載開關

如果使用PMOS設計低邊開關，那么導通時S極就幾乎是GND電平，在需要PMOS關斷的狀態下，G極電位可以是0電平甚至是正電平，但是需要PMOS導通時，G極電位就必須是負電平，這樣的設計更加復雜，所以不會使用PMOS做低邊開關。

4.關鍵參數

負載開關的關鍵參數是連接電壓輸入和電壓輸出引腳之間的MOSFET的導通電阻RDSon、MOS承受的最大電流IDmax以及電路能夠承受的最大電壓VDSmax。導通電阻越低，MOS管的功耗越低，從輸入到輸出的電壓降越低。

雖然RDSon、IDmax和VDSmax是MOSFET的參數，但負載開關的最大壓降和最大功耗可以通過以下公式計算，給定電流I：

現在的MOSFET通常具有幾十mΩ的導通電阻值，因此如果負載開關具有50mΩ的接通電阻并控制200mA的負載，MOSFET在接通時僅消耗2mW，并且具有10mV的輸入到輸出電壓降。即使峰值電流為1A，也只會導致50mV的電壓降和50mW的峰值功耗。

由于負載開關電路在電源接通時是動態的，因此設計時需要滿足低泄漏電流，即源極和漏極之間的泄漏電流應盡可能接近零，這個參數同樣可以在datasheet中找到。

5. 設計示例

設計背景：請用PMOS設計一個高邊開關，輸入電壓為24V，通路電流最大為10A，控制側為MCU，控制電平為3.3V。

設計分析：VGSTH以Vin為參照，G極需要施加接近或等于或高于24V的控制電平。

設計選型：所選NMOS需要滿足VDSS＞24V，IDSS＞10A，Rdson和漏電流盡量小，驅動電平閾值VGSTH＜3.3V。這里我們選擇LP73035DT1WG，相關參數如下：

圖3-3：LP73035DT1WG最大額定參數

圖3-4：LP73035DT1WG正常工作參數

從選型結果來看，LP73035DT1WG完全滿足我們的要求，ID遠大于10A，開啟閾值（-1V~-2.5V）和Rdson（8mΩ）非常小，實際使用熱損耗非常低。

設計結果：圖3-5是設計的結果，當三極管導通時，24V經過R1和R2分壓，R2一般特別小甚至沒有，那么24V就全落在R1上，此時G極電平就近似等于Vin=24V，VGS=0V＞-1V，PMOS關閉，當三極管不導通時，PMOS的S極和G極之間電位差近似等于Vin，VGS=-24V＜-2.5V，PMOS打開。需要注意的是規格書中VGS的極限值是±25V，-24V其實比較接近，有一定風險，可以選VGS更大一些的PMOS型號。

圖3-5：PMOS高邊開關驅動設計

另外，三極管我們都選擇過驅動方式，所以R3值選的比較小，使基極電流Ib比較大，不用擔心導通時干路電流比較大，因為R1=1MΩ已經將電流限制的非常小了。

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