PMOS开关电源设计

在 P-MOS 作为一个高边开关(High-Side Switch)(即放在电源和负载之间)时,栅极(G)和源极(S)之间并联的那个电阻 $R_{GS}$,通常被称为“上拉电阻”或“泄放电阻”**。

一、 G-S 之间电阻 ($R_{GS}$) 的作用

1. 确保默认“关断”状态(防误触)

这是最根本的原因。

  • 原理:P-MOS 是 $V_{GS} < 0$(即栅极电压低于源极电压)时导通。要让它关断,必须使 $V_G = V_S$(即 $V_{GS} = 0$)。
  • 危险场景:当驱动 P-MOS 的控制信号(比如单片机引脚或前级三极管)处于 高阻态(High-Z)(例如单片机刚上电复位、还没初始化时),栅极是悬空的。
  • 后果:MOS 管的栅极极其灵敏,悬空的栅极会感应周围的静电或干扰,导致 $V_G$ 飘忽不定。如果 $V_G$ 碰巧飘得比 $V_S$ 低,P-MOS 就会意外导通
    • 想象一下,你一上电,还没控制呢,电机就狂转,或者设备就误动作了,这是非常危险的。
  • 电阻的作用:$R_{GS}$ 像一根强力的弹簧,把栅极电位强行“拉”到和源极(电源电压)一样高。只要你没给控制信号,它就死死地锁在“关断”状态

2. 积存电荷的“泄放通道”

MOS 管的栅极寄生电容($C_{GS}$)很大。当你撤销驱动信号想关断它时,栅极里存的电荷需要流走,电压才能升上去。

$R_{GS}$ 提供了一条物理通道,帮助电荷泄放,加快关断速度(虽然在大电流驱动电路中,主要靠驱动器吸走电荷,但这个电阻提供了最后的保障)。

二、驱动电平匹配问题(最常见!)

新手最容易犯的错:用 3.3V/5V 单片机直接驱动 12V/24V 电源上的 P-MOS。

  • 错误做法:P-MOS 源极接 12V,栅极直接接单片机 IO 口。
  • 后果:
    • 单片机输出低电平(0V):$V_{GS} = 0 - 12 = -12V$,P-MOS 导通。(正常)
    • 单片机输出高电平(3.3V):$V_{GS} = 3.3 - 12 = -8.7V$,P-MOS 还是导通的!(因为 $V_{GS}$ 依然小于阈值电压)。
  • 无法关断:你根本关不掉这个开关
  • 正确做法:必须加一个 NPN 三极管 或 N-MOS 作为“前级驱动”来进行电平转换。利用小管子拉低 P-MOS 的栅极,关断时靠 $R_{GS}$ 拉高。

三、栅极耐压保护($V_{GS(max)}$ 限制)

MOS 管的栅极非常脆弱,绝缘层很薄。

  • 数据手册:大多数 P-MOS 的 $V_{GS}$ 最大承受电压是 $\pm 20V$
  • 危险:如果你的电源电压是 24V 或 48V。
    • 当你把栅极拉到地(0V)导通时,$V_{GS} = 0 - 24 = -24V$。
    • 结果:栅极氧化层瞬间击穿,P-MOS 永久损坏(短路)。
  • 对策:
    1. 电阻分压:不要直接拉到地,利用两个电阻分压,让栅极电压只下降一半(比如 12V)。
    2. 稳压二极管:在 G 和 S 之间并联一个 10V~15V 的稳压二极管(Zener),强行限制 $V_{GS}$ 的幅度。

小结

一个标准的 P-MOS 开关电路通常长这样:

  • 电源 $\rightarrow$ S 极。
  • $R_{GS}$ (10k-100k) $\rightarrow$ 跨接在 G 和 S 之间(负责默认关断)。
  • $R_{limit}$ (限流电阻) $\rightarrow$ 串联在 G 极回路中。
  • 稳压二极管 $\rightarrow$ 并联在 G-S 之间(如果电源 > 20V)。
  • 控制端 $\rightarrow$ 使用 NPN 三极管拉低栅极,而不是 MCU 直驱。
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