嵌入式系统中的开关电路设计

Scroll Down

前言

  最近在做一个电池掉电压恢复电路需要设计外围开关电路,遇到了不少坑,都是之前没有留意到或者没有学到的知识,这里重新整理下。

开关管的选择

BJT管还是MOS管

  BJT和MOS管都可以作为开关使用,区别是BJT的导通电阻大,MOS管导通电阻小。BJT用作开关管发热会比较严重,所以一般都选择MOS管。

如何选择MOS管


  需要明确一点,MOS管的导通条件是VGS与开启电压的比较;对于NMOS来说,栅极控制信号高电压导通,低电压关断,并且NMOS漏极是输入端,源极接地,一般不将源极接入下级输出,否则会导致源极悬空的问题MOS管无法导通。并且NMOS的导通条件要求VGS要大于阈值,这将导致控制电压必然大于所需的电压,会出现不必要的麻烦,所以一般还是选择PMOS。除此之外由于增强型MOS管内部有寄生二极管的存在所以不具备源极漏极的对称性,也就是说只需要看VGS与开启电压的关系。


  也就是说NMOS和PMOS的接法不同。其中第一种NMOS管为高电平导通,低电平截断,漏极接后面电路的接地端,被称为低压侧开关;第二种为PMOS管典型开关电路,为高电平断开,低电平导通,漏极端接后面电路的VCC端,被称为高压侧开关。通常需要根据不同的驱动电压来选择MOS管。

NMOS开关电路.png

  同时还需要注意一点的是栅极端是高阻抗端,不可以悬空,所以需要为栅极加上电压。当源极和栅极间的电压为零时,开关关闭,而电流停止通过器件。虽然这时器件已经关闭,但仍然有微小电流存在,这称之为漏电流,即IDSS。


  开关电路一般都是处于连续导通状态,所以MOS管的额定电流首先应高于连续导通电流,除此之外还需要考虑在系统产生尖峰电流时MOS管也要能够承受。MOS管的额定电压选择也是类似。


  在实际情况下,MOS管并不是理想的器件,因为在导电过程中会有电能损耗,这称之为导通损耗。MOS在“导通”时就像一个可变电阻,由器件的RDS(ON)所确定,并随温度而显著变化。器件的功率耗损可由Iload2×RDS(ON)计算,由于导通电阻随温度变化,因此功率耗损也会随之按比例变化。


  NMOS管开关电路产生的问题:由于嵌入式电路中负载电流是时刻变化的,所以上图中NMOS管的压降会浮动,导致参考零电位变化,最终使LDO输出电压浮动。所以这种开关电路适合用在负载不变的电路中。

典型的高电平驱动PMOS开关电路设计

利用BJT反相器实现

PMOS开关电路原理.png
功能描述:开关控制信号高电平,三极管导通,VCC压降分在分压电阻上,三极管集电极电压几乎为0,VGS小于VGS(th),PMOS管导通,在PMOS的漏极电压为VCC。开关控制信号输出低电平,三极管截止,集电极为5V,VGS大于VGS(th),PMOS管关闭,在PMOS的漏极电压为0V。

利用CMOS反相器实现

cmos开关电路.png
功能描述:开关控制信号高电平,CMOS中的NMOS管导通,开关PMOS管中的栅极接地,VGS小于VGS(th),开关PMOS管导通,在PMOS的漏极电压为VCC。开关控制信号低电平,CMOS中的PMOS管导通,开关PMOS管中的栅极接高电平,VGS对于VGS(th),开关PMOS管截止,在PMOS的漏极电压为0V。

两种电路的优缺点比较

  • 三极管反相器只需要一个晶体管。
  • 三极管反相器在开关常通时会产生静态功耗。
  • 三极管反相器能实现的开关频率不高。
  • 三极管反相器的电路调试参数比较麻烦,几个电阻需要实际调整。
  • CMOS反相器需要一对MOS管。
  • CMOS反相器在开关常通时没有静态功耗。
  • CMOS反相器可以适应较高的开关频率,比如PWM。
  • CMOS反相器的电路调试参数简单,只需要几个缓冲电阻。

总结

  嵌入式中的电源开关设计一般还是以PMOS作为开关使用,根据不同电压驱动方式的开关信号可能需要加入反相器来实现控制。根据BJT和CMOS反相器的比较个人认为CMOS反相器会更加优秀。