MOS做电源开关的电路详解：NMOS、PMOS高侧低侧驱动、电容浮栅自举电路

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MOS做电源开关的电路详解：NMOS、PMOS高侧低侧驱动、电容浮栅自举电路

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CSDN

https://blog.csdn.net/2401_85013863/article/details/138928165

泄放电阻 R1

在NMOS电路中，通常会在G极和S极之间并联一个10K左右的电阻，这个电阻被称为泄放电阻，用于泄放GS极间的电荷。由于MOS的GS极间阻值非常高（通常为M欧以上），并且存在结电容，这导致GS一旦充电就很难释放。如果没有泄放电阻，在G极通入高电平后，即使将控制信号移除，由于结电容的存在，GS间的电压仍会维持在导通阀值以上，导致负载持续工作。而加入泄放电阻可以加快泄放速度，使电路功能更加合理。

Vgs电压范围对导通速度和导通内阻的影响

对于TO-220、TO-251AA、SOP-8等封装较大的MOS管，其额定耐压和额定电流都较大，Vgs的最大允许范围一般为±20V。Vgs的驱动电压越高，MOS的导通电阻就越小，导通速度也越快。因此，在电机控制中通常使用12V作为驱动电压。而SOT-23封装的MOS，其Vgs最大范围一般为±12V。需要注意的是，Vgs电压不能超出手册规定的范围，否则会导致MOS损坏。

寄生结电容、驱动电流和栅极驱动器

寄生结电容对开断速率的影响

MOS的GS极间的寄生结电容大小会影响开断速度。结电容越小，开断越快，响应越迅速。在选型时，应尽量选择结电容较小的MOS管，以获得更快的开断速度，降低开关损耗。

寄生结电容和驱动频率对驱动电流的需求

MOS的GS极内阻非常大，对外主要体现为容性。在低频条件下，对驱动电流的需求不明显。但随着频率升高，电容充放电频率加快，容抗变小。在电机控制或电源转换等需要高频PWM信号的场合，驱动MOS就需要更大的驱动电流。此时，MCU端口提供的几mA电流显然不够用，继续使用MCU端口直驱会导致MCU过载，同时对输出信号的波形造成衰减，影响NMOS的正常开通。因此，需要使用专用的MOS栅极驱动IC。常见的NMOS半桥栅极驱动IC有IR2101、IR2104等。

NMOS高侧电源开关（高侧驱动，稳定、性能好）

NMOS做低侧开关是通过将元件的GND浮空，并通过开通GND来控制电路负载。但在某些情况下，如需要低侧电流采样的电机驱动电路，这种做法可能导致工作异常。因此，NMOS的高侧栅极驱动通常需要搭配额外的栅极驱动芯片，主要有两种方式：

集成电荷泵的NMOS高侧驱动：内部集成电荷泵，允许高侧NMOS的持续开通（100%占空比输入），性能稳定但成本略高。
电容浮栅自举：通过电容浮栅自举，通常只允许99%占空比输入，需要在空闲时间给自举电容充电。这种应用不能100%占空比输入，不能高侧持续导通。

电容浮栅自举电路原理

电机控制和功率变换应用中，较多使用的是电容浮栅自举，其内部电路形式大多为高侧+低侧栅极驱动IC，或者叫NMOS半桥栅极驱动IC。其内部集成死区控制器，以防止半桥上下管同时开通，造成短路MOS过流损坏。

以IR2101的手册为例，简述电容自举电路的原理：

当输入信号HIN为0时，图2右上角的高侧MOS关断，低侧MOS导通。外部高侧NMOS的GS通过内部的低侧MOS来迅速放电，使外部高侧MOS关断。于此同时，外部低侧MOS导通，半桥输出电平为0V，可近似看作自举电容的低边直接接到了GND上，构成了自举电容的充电回路。这时自举电容会在二极管的辅助下，择机充电。
当输入信号HIN为1时，图2右上角的高侧MOS导通，低侧MOS关断。自举电容通过Vb -> HO路径向外部的高侧NMOS放电，于是外部的高侧NMOS导通，自举电容逐渐放电电压缓慢变低。因MOS的GS极间内阻非常大，外部的高侧NMOS可以保持导通很长时间。
因HIN、LIN输入信号为PWM，且限制最大占空比为99%，上面过程随PWM周期重复。