PMOS开关电路常见的问题分析
作为硬件工程师，不管做什么产品，一般都会用类似下面的PMOS开关电路，而且一般用做电源控制。 这个电路看着比较简单，但是呢，在实际应用中，稍不注意的话，可能会出现下面的几个问题： 1、PMOS开关开启的一瞬间，前级电源电压跌落，或者直接被拉死 2、PMOS开关开启的一瞬间，MOS管冲击电流太大，MOS管损坏 3、PMOS开关由开启变为断开时，输出端Vout电压先降低，后上升，然后再下降，即下电波形出现回沟下面就来说明下这些问题是如何产生的，以及如何解决。 电路基本原理 为了照顾下刚入门的同学，还是先来解释下电路的工作原理，以及各个器件的作用 先说工作原理 1、当控制信号PWR_EN为高时，三极管Q1导通，R2下端等于接GND。由于R1和R2的分压作用，MOS管M1的Vgs会有压差Vgs=-Vin*R1/(R 1+R2)，即M1最终会导通。 2、当控制信号PWR_EN为低时，三极管Q1不导通，那么R2下端相当于悬空。那么MOS管M1的栅极会被R1拉到和输入电压Vin一样，即Vgs=0，那么M1最终状态会是不导通。 所以说，我们通过控制PWR_EN的高低，就能够控制PMOS M1的导通和关断，这也就是这个电路的基本原理。 再来看下每个器件的作用。 如上图所示，各个器件的作用应该都说清楚了吧，我们继续看前面提到的实际应用中，我们可能会遇到的几个问题。 几个问题的解释及解决办法 1、PMOS开关开启的一瞬间，前级电源电压跌落，或者直接被拉死 我们把这个电路做一个仿真，加上输入20V电压，电源内阻100mΩ，负载10Ω，负载滤波电容1000uF，PMOS开通的瞬间Vin波形如下图（实验1）：可以看到，输入端Vin电源20V，在PMOS开启的时候，瞬间被拉到了11.8V。 那么为什么会如此呢？ 道理其实很简单，Vout网络接了一个很大的电容1000uF，开关打开的时候，输出电压Vout从0V要上涨到20V，这个电容有就要从0V被充电到20V。如果开关的时间比较短，充电的电流就会比较大。 这一点也比较容易理解，电容从0V到20V，被充入的电荷量Q=C*U，如果开关的时间是t，那么平均充电电流就是I=Q/t=C*U/t，电容量C是已知的，为1000uF，电压U=20V，所以说这个充电电流 I=1000uF*20V/t就反比于开关的开通时间。 那充电电流大为啥输入电压就会跌落呢？我们要知道这个充电电流来源于源端，也就是电压源V2，我们联想下,工作中实际的电路，源端电源肯定不是理想的电源，总会有内阻，或者说线路上总会有阻抗，电流一大，必然会有压降，这个压降就会造成电压跌落。 需要注意，我仿真的时候，给电压源V2的内阻就是100mΩ，这也是为了模拟真实的场景，同时呢，也只有这样才能看到电源Vin有跌落的情况。如果不设定内阻，电源源V2是理想电压源，那么肯定是看不到电源跌落的。 很容易想到，如果我们把这个内阻设得大些，那么跌落得肯定更多。我们试一下，将内阻Rser从50mΩ，100mΩ，200mΩ，500mΩ做一个对比，一起看看跌落的情况。如下图（实验2），可以看到，50mΩ时，电压Vin只跌落到了15V左右，没有像100mΩ是跌到了11.8V这么多，而500mΩ时电压已经跌落到了6V左右。前面说到，电容平均充电电流是I=Q/t=C*U/t，C是负载的电容量，也就是说C越大，那么平均充电电流越大，源端内阻上的压降也越大，即电压跌落也会越大。 我们也可以仿真来验证下，我们设定V2的内阻为100mΩ不变，负载端电容分别是100uF，1000uF，10000uF，结果如下图（实验3）可以看到，确实与我们的分析是一致的，100uF的时候，电压只跌落到了16.5V，相对于1000uF的11.8V，还是要小不少的。 由以上可以知道，负载端电容量越大，是越容易发生电源跌落的情况的。但是呢？有时候我们的负载就是需要那么大的电容，那怎么办呢？ 其实我们还可以调整开关的速度，我们可以通过调整R1，R2，C1的大小，来调整PMOS开关开通的时间。 根据前面的公式，I=Q/t=C*U/t，如果负载电容C固定了，电压U也确定了，我们可以通过调整电路，增大开关的开通时间t，也能降低充电电流的大小，最终也可以让电源跌落更小。 还是来仿真下，我们保持电源内阻为100mΩ，滤波电容为1000uF不变，R1，R2保持10K不变。然后让开关MOS的gs之间的跨接电容分别为100nF，470nF，1uF，4.7uF，对比波形如下图（实验4）可以看到，100nF时跌落最多，跌到了11.8V，而4.7uF的时候，跌落是最小的，另外一方面，我们也可以看到下冲的宽度，100nF时，宽度是最小的，说明此时开通速度最快。 我们保持电源内阻为100mΩ，滤波电容为1000uF不变，gs跨接电容为100nF不变，单独调整下R1和R2，让其分别等于10K，47K，100k，470k，看下效果，仿真如下图（实验5）可以看到，效果和调节gs之间的电容差不多，在电阻调整到470k之后，输入端电压跌落已经比较小了。 好了，相信到这里，你应该已经知道了为什么PMOS开启的时候，输入电压有跌落了，以及出现这种情况之后，我们只需要调整R1，R2，Cgs就好了。 需要注意的是，以上只是为了简单说明道理，实际电路应用过程中要更为复杂。比如说我仿真内阻都是用的100mΩ，实际电路中电路不仅仅有内阻，还有电感，这些都会造成输入端有压降，但是另外一方面，输入端也会有电容，开通瞬间，输入端的电容也会给负载电容提供电流，最终跌落可能也不明显。有时呢，输入源端可能有限流保护，如果开通瞬间拉取电流过大，那么会造成前级过流保护，导致电源被拉死，这些都需要具体情况具体分析。 好了，关于这个跌落的问题就说到这里了，下面继续其他问题。 2、PMOS开关开启的一瞬间，PMOS烧毁 提到MOS烧毁，一般来说，就是其非工作在SOA区（安全工作区，Safe operating area）。 显然，在这个场景，容易出现的就是MOS管过流了。我们还是以上面的仿真电路为例子，看下导通时MOS管的电流情况。 仿真条件：PMOS型号为SI4425，电压源V2=20V，内阻=100mΩ，负载电容1000uF，R1=R2=10k，gs端跨接电容100nF。 波形如下图（实验6） 可以看到，MOS管瞬间最大电流已经达到了80A+，这个电流太大了，MOS管有风险，为什么这么说呢？我们可以看下使用PMOS管SI4425的手册，可以看到，其最大允许的电流是50A。 这一点，我们也可以从其SOA曲线上看出来。此时，这个PMOS超规格使用了，并没有工作在SOA区间，是可能会损坏的。 那怎么办呢？选更高电流的PMOS吗？当然，这是一个可选的方案，不过呢，电流更高的PMOS价格肯定会更高的。此时我们可以调节下外围电阻或是电容，让PMOS更慢开通，这样可以将电流降下来。 按照前面说的，我们可以调整R1，R2，C2（gs间跨接电容）达到这个目的。我们将gs间跨接电容分别调至470nF，1uF，4.7uF，对比看看电流的情况，如下图（实验7）。可以看到，在Cgs=1uF的时候，此时Ids最大只有40A，而PMOS SI4425最大瞬间电流可以过50A，仅从电流Ids来考虑，是OK的，并且满足80%的降额（50A*0.8=40A）。 假如我们选定Cgs=1uF，我们还需要看下此时的功率是否有超标（结合SOA曲线看），从曲线上看，MOS管开通时间约为1ms，这期间最大功率约为280W，如下图。假设这个PMOS应用场景是单脉冲（即非周期性开通，只是偶尔开通一次），从手册看到其1ms时归一化热阻系数r(t)=0.007。芯片正常热阻是Rja=50℃/W，最高结温是150℃，假设环境温度是25℃，那么其1ms能抗的瞬间功率是：Pmax={(150℃-25℃)/Rja}/r(t)= 357W即PMOS SI4425在1ms瞬间能扛的功率是357W，而将Cgs电容调整到了1uF之后，实际功率是280W，因此并没有超过PMOS的功率限制，也即是说其工作在了SOA区，是OK的。 综上所述，在Cgs是100nF的时候，PMOS没有工作在SOA区，而我们调整Cgs电容到1uF之后，PMOS就能工作在SOA区，因此就不会出现损坏的问题了。 以上是从仿真的角度看PMOS有没有损坏的风险。实际在我们电路应用中，对于这种功率PMOS做开关，我们一般也是要去测量PMOS开通时的电压和电流曲线，以此来判断是否是安全的。 再来说一个我曾经遇到过的奇特现象，也就是第3个问题。 3、PMOS开关由开启变为断开后，输出端Vout电压先降低，后上升，然后再下降，即下电波形出现回沟 先看下这是个什么现象，如下图，在PMOS断开的时候，输出电压Vout出现回沟这个波形是用下面这个电路仿真出来的（实验8）相对于前面的PMOS开关仿真电路，其实没有差异，仅仅是我将负载换成了一个开关电路而已，那为什么改变了负载之后，Vout的下电波形就不正常了呢？遇到这种情况我们该如何调整呢？ 原因其实也不难理解，就是PMOS从导通到关断，总有一个过程，PMOS的阻抗会从接近于0（导通）到电阻无穷大（断开），也就是说存在一段时间，PMOS的会有一定的阻值，而负载也非恒定电阻。在Vout下电过程中，负载获得的电压下降到一定程度，负载电路可能因为欠压突然停止工作，其所需电流急剧减小，即其等效电阻突然变大，那么会导致其获得的分压变大，这个时候就会出现上面的情况，Vout电压又涨上去了。 上面的过程简单画个示意图如下所示：Vout的电压等于Vin在PMOS和负载上面的分压，如果负载RL突然变大，那么就有可能出现Vout突然上涨的情况。经过上面的分析，应该很容易想到，出现回沟的地方，应该就是PMOS从导通到关断切换的时刻，也就是PMOS的Vgs电压等于其Vgsth的时候，关于这一点，我们也可以从仿真波形中看出，如下图所示。回沟出现的地方，就是PMOS的Vgs=-1V的时候，我们可以从SI4425手册中看到，该PMOS的Vgsth就是-1V~-3V，印证我们前面的分析没毛病。 那么问题又来了，我们如何解决这个回沟的问题呢？ 很多时候，我们让这个PMOS更快的关闭就能解决了，比如我们将PMOS的g和s跨接的电容从100nF调整到10nF，可以看到回沟基本没有了（只有500mV左右，实际电路一般不影响使用），如下图所示（实验9）我们也可以在输出端加一个滤波电容，这样可以避免负载等效RL突然变大。 这个原理是这样的：加了滤波电容后，等效负载就变成了原本的RL和新加的电容阻抗的并联，所以哪怕原本的RL突然变得很大，因为有电容阻抗的存在，总的负载阻抗也不会变得很大（不会超过电容的阻抗）。我们现在讨论的是pmos关断的瞬间，这个过程是短暂的，信号可以看成是交流，因此电容不可看成是开路，它也构成了总的阻抗的一部分。所以，只要电容值合理，是可以解决电容回沟的问题的。 印证下，我们在上面的电路的负载端加一个1uF的滤波电容，仿真如下（实验10） 可以看到，Vout此时完全没有回沟了，下电波形非常好。 小结 本期内容就写到这里了，可以看到，小小的PMOS电路，其门道也是不少的，毕竟我们都没有办法固定一个电路去适应所有的应用场景。一个电路，可能用在这个场景没问题，用在其他场景就出问题了。当然，这也并不可怕，我们只需要理解问题的原因是什么，结合测试，根据波形，不断分析优化，也就能设计出安全可靠的电路了。 来源：硬件工程师炼成之路
