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2367 字
12 分钟
NMOS 与 PMOS 电源开关设计

p61(23.3 分钟)、p62(4.7 分钟)、p63(5.1 分钟)、p64(13.3 分钟)

N MOS 源极不接地会怎样#

场景#

N MOS 的 S 极不接 GND,而是接在负载上(如半桥驱动电路 / 推挽电路的上管:两个 N MOS,上管接 VCC、下管接 GND,中间作为输出)。

结论#

S 极不接 GND 时,N MOS 不会饱和导通,会进入放大状态。

推导#

设 G 极控制电压 5V,后级电源 4.5V(实物用 3 节电池),Vgs(th) = 2V。

上电前所有电压为 0
5V 接入瞬间:VG = 5V、VS = 0V → Vgs = 5V → 饱和导通,开始给负载供电
但 S 点电压不是瞬间到 4.5V,而是从 0V 慢慢上升
由于 Vgs = VG − VS,VS 上升 → Vgs 下降
VS = 1V 时 Vgs 只剩 4V
VS = 3V 时 Vgs 只剩 2V = 临界饱和
VS = 3.001V 时,MOS 从饱和导通变为放大状态

进入放大状态后 MOS 不再是开关,等效为一个大电阻,产生压降并分压,最终把 S 点电压限制在约 3V 上不去。

仿真验证#

本应输出 12V,实际示波器只有 1.35V,即 MOS 吃掉了约 10.7V。

发热量化#

负载电阻改为 10Ω:

电压只有 1.3V → 电流约 130mA
130mA × 约 10V → MOS 上损耗超过 1W → 必然发热

解决一:G 极驱动电压取得比负载电源更高#

负载电源 4.5V,G 极用 8V 驱动
→ 即使 4.5V 全部过来,Vgs 仍有 5.5V 压差,仍能饱和导通

代价是成本高。8V 不会凭空产生,需要升压电路(电荷泵或 boost),无论哪种都要多一个芯片电路。

解决二(低成本):自举电路#

利用「电容两端电压不能突变」的特性实现电压自举。

接法:把驱动电源(5V)的负极接到 MOS 的 S 极(而不是接到电路的地),正极接 G 极。

原理:

把驱动电源当成一个电池,其正极永远比负极高 5V
开关闭合 → Vgs = 5V → MOS 导通 → 12V 送到 S
S 被抬高的同时,G 相对 GND 也被同样抬高
(相当于 12V 电源与 5V 电源首尾串联)
G 点被顶到约 17V
→ 因此 Vgs 始终保持 5V ✓

仿真效果:S 点得到 11.8V ≈ 12V。不加自举则至少需要 15V 驱动。

实物验证:把驱动电源负极改接到 S 极后,只需调到 2V 以上(1.9V 时负载得 4.78V),再调高也一直是 4.78V——永远保证 Vgs 等于所加驱动电压。

实际电路用自举电容而非电池,典型结构含:

几个开关(控制 G 极通断)+ 一个电容 + 一个自举二极管 + 底部给电容充电的回路

充满电后该电容就等效于上面说的「电池」,这个电容叫自举电容。

实物验证(未用自举时)#

驱动 5V → 10Ω 负载上 3.4V → 推出该 MOS 的开通电压约 1.5V
驱动 6V(= 4.5 + 1.5) → 4.4V
驱动 8V → 4.8V
再往上 → 4.79V 不再变化(已饱和导通,电源完全送到负载)

这部分内容很常用,特别是 H 桥里的知识点。

P MOS 电源开关设计#

思路:直接用 P MOS 替代 N MOS,从而免去自举等复杂驱动电路。

P MOS 天生适合做电源端开关,因为它的导通条件是 G 极电压比 S 极低 → S 极通常接电源。

VCC(12V) ──┬── S
│ P MOS
├── D ──[ 电阻 ]──[ LED ]── GND
│
[ 下拉电阻 ]
│
GND

G 极加一个下拉电阻到 GND → G = 0V → Vgs 比 S 低 12V → 导通。

关键好处:S 本来就接在电源最高点,导通与否都不会影响 Vgs 本身(12V 一直是 12V),不存在 N MOS 那种 S 电位抬高导致 Vgs 崩塌的问题。

G–S 电阻取值#

低频(开关频率约 100K 以下):100K 左右
高频:可减到 4K
规律:电阻越小 → 开关速度越高,但损耗越大

用 P MOS 替代后,驱动电路从原来「一堆复杂电路」简化为两个电阻 + 一个开关。

实际电路中很少用机械开关,一般用三极管或 MOS 管,由单片机控制。

P MOS 的局限#

大功率、高频、大电流场景下 P MOS 无法替代 N MOS。

原因是工艺:在同等成本、同等级工艺下,P MOS 做出来的性能就是不如 N MOS。因此高频或大电流场景优先考虑 N MOS。

P MOS 防反接电路#

电源 12V,P MOS 作防反接;由 MCU 经三极管控制 G 极。

正常工作流程#

① 控制信号为低电平 → 三极管断开 → G 点与 S 点电位相同 → MOS 不闭合
② 12V 接入后先经过体二极管 → 该点变为 11.3V(= 12 − 0.7V 二极管压降)
③ 11.3V 一方面给负载供电,一方面经降压电路给 MCU 供电
(在此之前 12V 未接入,MCU 不工作,所以三极管必然断开)
④ MCU 工作后写程序让控制信号变高电平 → 三极管导通
⑤ 11.3V 经两个电阻分压得到约 6V → 满足 MOS 导通条件 → MOS 闭合
→ 体二极管被短路 → 该点电压从 11.3V 变成 12V ✓

时序很巧妙:先靠体二极管「漏」一点电给 MCU 启动,MCU 起来后再把 MOS 打开,把 0.7V 的损失补回来。体二极管在这里不是缺陷,而是启动通道。

反接保护原理(电池接反)#

若无 MOS 管:12V 直接接到 MCU 的 D 端
而 MCU 不能承受反向耐压,很可能直接损坏
加了 MOS 管后:12V 确实会到 MCU 的 D 端
但要损坏器件的前提是必须流过电流
而这里不会流过电流

为什么不会流过电流:

三极管不导通
→ 两个分压电阻上没有电流也就没有压降
→ MOS 不导通
→ 电流路径被寄生体二极管中断(方向不通)
→ 没有电流 → 反接不影响后级 ✓

简化版本#

直接把三极管位置接地,MOS 的控制与 MCU 完全无关,只负责给 MCU 供电:

12V 一接进来立刻变 11.3V
→ 两个电阻分压成 6V
→ MOS 立刻导通 → 短路体二极管 → 立刻变成 12V

去掉三极管效果一样(MCU 控不控制三极管最终都一样会饱和导通),同样具备防反接效果。

MOS 的电流可以双向流通#

结论#

三极管电流单向流通;MOS 管 D–S 之间的电流可以双向流通。

网上资料说「MOS 电流单向」是错的。

结构层面的解释(N MOS)#

S、D 掺 N 型半导体,衬底是 P 型
G–S 加正向电压后,在 D 和 S 之间形成沟道
电子通过沟道从 S 流到 D
——因为沟道就是「一条沟」,电子既可以从 D 流向 S,也可以从 S 流向 D

只要 G–S 满足导通条件,S 和 D 就是直接接在一起的,电流方向无所谓。

实验对比(万用表测 DS 两端电压,≈0 即正常导通)#

正常接法(上正下负):开关断开 DS 两端 = 5V;开关闭合 = 0V(正常导通)
反接(下正上负):开关断开测到 −0.58V(体二极管压降);开关闭合立刻变成 0V

抵消体二极管的接法#

在原有 MOS 基础上再加一个 MOS,反向(镜像)画。

两个 MOS 都断开时:
第一个体二极管能让电流通过
但走到第二个 MOS 时其体二极管面对面相互抵消 → 电流不能通过
→ 反接时电流也不通 ✓
开关一闭合,两个 MOS 都导通,电流正常流通 ✓

典型应用#

模拟开关芯片内部就是大量使用这种 MOS 结构——模拟开关芯片的电流能双向流通,就是利用了 MOS 的 D–S 之间没有电流方向这一特性。

常见的误区是一用 MOS 就觉得电流只能单向流,因为「老觉得那个二极管在那里作怪」——其实二极管可以通过加多一个 MOS 抵消掉。

N MOS 还是 P MOS 做电源开关#

能放低边就用 N MOS,最简单。

必须高边 + 小功率/低频 → 用 P MOS(驱动简单)
必须高边 + 大功率/高频 → 用 N MOS + 自举驱动

N MOS 做高边需要自举或升压驱动,电路复杂,但性能好,适合大功率、高频、大电流;P MOS 做高边只要两个电阻 + 一个开关,复杂度低,但性能略差,只适合小功率、低频。两者成本都低(N MOS 的驱动部分贵)。

坑#

  • N MOS 源极不接地就一定进放大状态,会发热且输出上不去。
  • 自举的本质是「让驱动电源的地跟着源极一起抬」,把 G 点顶到比电源还高。
  • P MOS 做高边开关简单,但性能不如 N MOS,大电流高频场景不能用。
  • 防反接电路里体二极管是启动通道,不是缺陷;反接保护的原理是「没有电流」而不是「没有电压」。
  • MOS 电流可以双向流;抵消体二极管要两个 MOS 镜像串联。仿真里也要加 G–S 电阻,否则模型太理想,看不出真实问题。
NMOS 与 PMOS 电源开关设计
https://me.622168.xyz/posts/hardware/23-mosfet-power-switch/
作者
Shaw 的小屋
发布于
2026-09-18
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0