用單NMOS設計負載開關介紹

分立式NMOS負載開關

引言：需要通過負載開關將電路或子系統與電源斷開有幾個原因，一個非常簡單和常見的原因是，它有助于節省電力。無電源的子系統可能不會因漏電或備用電流而消耗電力，但在便攜式電子設備中負載開關還可用于防止電涌、電池插入錯誤和其他可能通過電源進入的損壞事件造成的損壞。

1.負載開關的類型

圖2-1：NMOS和PMOS寄生模型

在深入研究關鍵參數之前，我們先來看看不同類型的負載開關。高壓側負載開關將電源連接或斷開與負載的連接，開關由外部啟用信號控制，高壓側將電源電流切換到負載。低壓側開關將負載接地或斷開，從而從負載吸收電流。

負載開關可以容易地用MOSFET實現，MOSFET將電流從電源傳遞到負載，并通過將控制信號提供給柵極驅動電路以實現控制信號接通或斷開MOSFET。

2.N溝道高側負載開關

N溝道MOSFET具有比相同尺寸的P溝道器件更低的導通電阻值。但為了獲得較低的電阻值，在使用N溝道MOSFET實現高側負載開關時，需要高電壓（過驅動）來驅動MOSFET的柵極，見 圖2-2 。必須提供高于輸入電壓Vin的電壓用于適當的柵極驅動（因為當NMOS導通時，忽略VDS壓降，S點的電位和D點電位相同，均為Vin，要維持NMOS開啟，必須VG-Vin＞VGSTHmax），否則MOSFET將不會完全導通。

圖2-2：帶高電平控制線的N溝道MOSFET高邊負載開關

如果沒有足夠高的電壓來驅動柵極，如圖2-3可以使用電荷泵電路來增加施加到MOSFET柵極的驅動電壓。雖然這增加了電路的復雜性，但N溝道MOSFET的導通電阻較低。但是電荷泵電路將消耗一些功率，因此在系統可能大部分時間處于待機模式的關鍵應用中，P通道拓撲可以更有效。

圖2-3：帶充電泵控制線的N溝道MOSFET高邊負載開關

3.N溝道低側負載開關

在沒有高壓或附加電路的情況下，N溝道MOSFET可以用于低側負載開關。低側負載開關的實現如圖2-4所示。低側負載開關的缺點是負載的接地電位略微升高（導通時MOS也會占據一些壓降，但很小）。特別是當負載與外部組件有通信線路時，需要考慮這一點。

圖2-4：N溝道MOSFET低邊負載開關

4. 小結

從NMOS分別用作高邊開關和低邊開關的分析中可以看出，高邊開關使用結構復雜，驅動條件比較苛刻，所以NMOS常用作低邊開關。另外需要注意的是，NMOS電流的流向一定要和體二極管極性相反，即從D極流向S極，以此保證完全關斷。

5.關鍵參數

負載開關的重要關鍵參數是連接電壓輸入和電壓輸出引腳之間的MOSFET的導通電阻RDSon、MOS管承受的最大電流IDmax以及電路能夠承受的最大電壓VDSmax。導通電阻越低，MOS管的功耗越低，從輸入到輸出的電壓降越低。

雖然RDSon、IDmax和VDSmax是MOSFET的參數，但負載開關的最大壓降和最大功耗可以通過以下公式計算，給定電流I：

現在的MOSFET通常具有幾十mΩ的導通電阻值，因此如果負載開關具有50mΩ的接通電阻并控制200mA的負載，MOSFET在接通時僅消耗2mW，并且具有10mV的輸入到輸出電壓降。即使峰值電流為1A，也只會導致50mV的電壓降和50mW的峰值功耗。由于負載開關電路在電源接通時都是活動的，因此需要設計為具有低泄漏電流，即源極和漏極之間的泄漏電流應盡可能接近零，這個參數同樣可以在datasheet中找到。

6.設計示例

設計背景：請用NMOS分別設計一個高邊和低邊開關，輸入電壓為24V，通路電流最大為10A，控制側為MCU，控制電平為3.3V。

設計分析：相對來說低邊開關比較好設計，VGSTH以GND為參數，而高邊開關VGSTH以Vin為參照，G極需要施加高于24V的控制電平或者Charge Pump。

設計選型：所選NMOS需要滿足VDSS＞24V，IDSS＞10A，Rdson和漏電流盡量小，驅動電平閾值VGSTH＜3.3V。這里我們選擇S-LNB84025DT0AG，相關參數如下：

圖2-5：S-LNB84025DT0AG最大額定參數

圖2-6：S-LNB84025DT0AG正常工作參數

從選型結果來看，S-LNB84025DT0AG完全滿足我們的要求，ID遠大于10A，開啟閾值和Rdson非常小，實際使用熱損耗非常低。

設計結果：圖2-7是設計的結果，對于高邊設計，VGSthmax=2.5V＜HV ctrl-Vin＜VGS=20V，所以實際施加的HV范圍還是比較寬的，推薦28V-30V就可以。如果系統別處有合適的HV，可以在HV與G極之間再加一道開關，實現GPIO低壓控制通斷，如果系統沒有合適的HV，那么就需要額外加一個Charge Pump驅動。這樣對比來看，***圖右***NMOS低邊開關就非常簡單，GPIO的3.3V就可以完全驅動起來。

圖2-7：圖左是高邊設計，圖右是低邊設計

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