教你如何計算MOS管的開關電路（一）

★★★ MOS-3---MOS管的開關電路 ★★★

引言：分立MOS搭建的開關電路在電路設計里面非常常見，在單板的邏輯設計，器件控制，供電控制，供電保護等等方面，都發揮著巨大的作用。使用時如果設計巧妙，簡約，不僅可以節約大量物料成本還能增強系統的穩健性（模擬控制比數字控制可靠的多）,本節主要講解MOS搭建的兩類基礎開關類型。

€1.源極接地型開關

如下是NMOS和PMOS的源極接地型開關，所謂源極接地型，即NMOS的源極直連GND，PMOS的源極直連VDD。其中Rg是柵極限流電阻，RP是偏置電阻，RD是主路徑限流電阻。

圖3-1：NMOS和PMOS源極接地型開關

對于NMOS源極接地型開關，當Ctrl in輸入高電平時，NMOS導通，out端直接連GND，輸出低電平；當Ctrl in為低電平時，NMOS不導通，out端通過RD連接VDD，輸出高電平。

對于PMOS源極接地型開關，當Ctrl in輸入高電平（以VDD為基準，VDD-Vin＞Vth）時，PMOS不導通，out端被RD下拉至GND，輸出低電平；當Ctrl in輸入低電平（VDD-Vin

根據上面描述的工作過程，可知源極接地型開關的out和Ctrl in比較，是反相的，所以源極接地型開關又叫反相開關。

€2.源極跟隨型開關

如下是NMOS和PMOS的源極跟隨型開關，所謂源極跟隨型，即NMOS的漏極直連VDD，PMOS的漏極直連GND。其中Rg是柵極限流電阻，RP是偏置電阻，RD是主路徑限流電阻。

圖3-2：NMOS和PMOS源極跟隨器型開關

對于NMOS源極跟隨型開關，當Ctrl in輸入高電平時，NMOS導通，out端直接連VDD，輸出高電平；當Ctrl in為低電平時，NMOS不導通，out端被RD下拉至GND，輸出低電平。

對于PMOS源極跟隨型開關，當Ctrl in輸入高電平（以VDD為基準，Vin-VDD＞Vthmax）時，PMOS不導通，out端通過RD連接VDD，輸出高電平；當Ctrl in輸入低電平（Vin-VDD

根據上面描述的工作過程，可知源極跟隨型開關的out和Ctrl in比較，是同相的，所以源極跟隨型開關又叫同相開關。

€3.源極接地型和源極跟隨型開關設計實例

設計背景：

控制端為MCU的GPIO，高電平1.8V，VDD為5.0V，設計一個LED驅動電路，可以控制LED的亮滅。LED為ROHM的SMLZ24BN3TT86，相關參數如下：

圖3-3：LED的最大額定參數

圖3-4：LED的標準參數

從上述參數可知，LED正常工作時，導通電流IFMAX=30mA，脈沖峰值電流為100mA，那么控制LED關閉時電流為0mA，導通時電流為20mA，VF=3.3V，明暗就在0-20mA之間變化。

設計分析：

LED點亮時，VF=3.3V，那么導通路徑上的電阻分壓為5-3.3=1.7V，導通路徑電流=0.02A，路徑電阻RD=1.7V/0.02A=85Ω。因為路徑電流不大，所以不需要選用功率MOS，小信號MOS就可以滿足要求。Ctrl in端電壓=1.8V，匯總選型參數為：ID＞0.02A，VGSTH＜1.8V，VDSS＞5.0V。

此處選LRC的LSI1012LT1G，具體參數如下：

圖3-5：LSI1012LT1G最大額定參數

圖3-6：LSI1012LT1G靜態參數

VGSth=0.9Vmax，1.8V的VGS可以將MOS完全打開。設計如下：

圖3-7：NMOS源極接地型和源極跟隨型開關

從圖3-7可以看到，同樣的器件，兩種驅動方式，參數是不同的，左圖MOS關斷時，電流路徑為VDD--->RD--->LED--->GND，此時功耗P關=PRD+PLED。MOS導通時，此時功耗P通=PRD+PQ。由于RD比較小，P通會比較大。右圖MOS關斷時，此時功耗P關=0，MOS導通時，RD比較大，20mA電流都流向LED，此時功耗P通=PLED。（電阻RD上的功耗忽略不計）。兩種功耗的差異很明顯，但前者是反相，高電平熄滅，低電平點亮，后者是同相，高電平點亮，低電平熄滅。

圖3-10是PNP型源極接地型和源極跟隨型開關，分析方式和上面類似，選用PMOS型號為LRC的LSI1013LT1G設計源極接地型和源極跟隨型開關：

圖3-8：LSI1013LT1G最大額定參數

圖3-9：LSI1013LT1G電氣參數

由于VDD=5V，那么Ctrl in電平的參照就是VDD=5V，Ctrl in最高1.8V，VGS是-5V和-3.2V，均小于VGSTH=-1.3V，都處于導通狀態。如果更改VDD為1.8V，當Ctrl in=0V低電平時，VGS=-1.78V＜-1.3V，PMOS導通，當Ctrl in=1.8V高電平時，VGS=0V＞-0.45V，PMOS關斷。更改為VDD=1.8V，LED就需要重新選型。

從上面計算可知使用PMOS設計驅動電路，沒有NMOS簡單，成本也比較高。

圖3-10：PMOS源極接地型和源極跟隨型開關