PMOS管與NMOS管控制電路設計對比

一種廣為流傳的說法：相對于NMOS管，PMOS管的溝道導通電阻更大、速度更慢、成本更高等，這是為什么？

有一定的電子技術應用經驗的朋友，對NMOS管開關電路的使用場合肯定是如數家珍，幾乎所有的開關電源拓撲都偏向于使用NMOS管（而不是PMOS管），如正激、反激、推挽、半橋、全橋等拓撲，NMOS管的應用電路案例真心不要太多，如下圖所示（當然，這些也并不全是完全獨立的，比如ZCS正激推挽）：

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如果讓大家舉個PMOS管實際應用電路，恐怕大多數讀者除了下圖所示的電源開關控制電路外，實在是想不出更多其它實用電路了。

我們暫且不管原因何在，但是NMOS管應用場合遠比PMOS管要廣泛得多，這已經是一個不爭的事實，PMOS管可以做到的NMOS管同樣也可以做到，真應了那句廣告詞：人無我有，人有我優。

我們可以看看國際整流器公司（International Rectifier,IR）官方網站的所有MOS管的分類，如下圖所示：

除兩個紅圈所標注的內容是PMOS管外，其它都是NMOS管，并且NMOS管在電壓檔次上比PMOS管要細分得多，從側面可以說明NMOS管的應用場合比PMOS要大得多（因為應用多，所以需求多，繼而型號多），如果你粗略地統計一下PMOS與NMOS型號的數量，NMOS管絕對獨占鰲頭，這又是蝦米情況？

有人說：應該是PMOS管在使用的時候控制電路太過復雜，與NMOS管的驅動比較，PMOS還需要額外的三極管，成本太高。那我們繼續往下看

如果讀者對電子技術足夠感興趣且好奇心總是不一般的話，應該對降壓型BUCK單片開關電源電路有一定的了解，那你自然會遇到類似下圖所示的電路：（來自TI降壓電源芯片LM2596數據手冊）

這是我們最常用的BUCK拓撲降壓芯片典型應用電路，地球人幾乎都知道，但是有些降壓芯片應用電路卻稍微有所不同，如下圖所示：（來自TI降壓電源芯片TPS54202H數據手冊）

看到沒有，與LM2596S芯片相比多了一個BOOST（BST）引腳，一般在該引腳與SW之間串一個小電容，這是為什么呢？

有經驗的讀者可能會說：這種芯片是采用同步整流方案（關于同步整流可參考文章【開關電源（1）之BUCK變換器】，簡單的說，就是用MOS管來代替續流二極管，以達到降低損耗繼而提升轉換效率的目的），內部是用兩個NMOS管配合工作的，需要一個自舉升壓電路，所以才需要外接一個電容。沒錯！該芯片開關管結構如下圖所示：

然而同步整流方案與使用NMOS管作為開關管之間沒有因果關系，換言之，就算是異步整流方案，芯片也會偏向于使用NMOS管，如下圖所示（來自TI降壓電源芯片LM25011數據手冊）：

LM25011就是異步整流方案，該芯片的內部開關管的結構如下圖所示（來自TI降壓電源芯片LM25011數據手冊）：

總之一句話：如果內部開關管使用場效應管，那大多數是NMOS管，而PMOS管幾乎（大多數，不是所有）是沒有使用的機會，盡管PMOS管的內心可能在吶喊著：老板，給我一次機會吧，我可以的（就像你內心想對老板吶喊一樣，這種悲壯的心情你肯定是懂的，么么噠）！然而，這并沒有什么卵用。

我們在文章《開關電源（1）之BUCK變換器》中詳細介紹了降壓型BUCK開關電源拓撲，并且還用下圖做了一次仿真：

用PMOS管來實現開關切換功能的電路是要多簡潔就有多簡潔，明明一個PMOS管就能搞定的事，非得使用NMOS管還弄個稍顯復雜的自舉電路，就像很多明星，明明可以靠臉吃飯，偏偏要靠才能。然而，芯片廠家就是嫌棄它，你簡潔怎么了？我就是不用你！你自己上思過崖面壁反省去（不是華山派令狐沖呆的那個地方）。

同樣的現象也存在于BOOST變換器芯片中，BOOST單片升壓芯片典型應用電路如下圖所示：（來自TI升壓電源芯片LM2577T數據手冊）

同樣，有些升壓芯片多了一個BOOST/BST引腳，如下圖所示（來自TI升壓電源芯片TPS61178X數據手冊）：

這里要說明一下：上圖中芯片外圍接有的PMOS管并不是必須的，因為BOOST拓撲由于其本身的特性，在芯片不工作時輸出是無法關閉的（輸出電壓略小于輸入電壓），這與BUCK拓撲不同，如果需要完全關閉電壓輸出，必須額外添加一個PMOS管開關電路，這就是我們在文章開關介紹的PMOS管電源開關控制電路。

該芯片的內部開關管的結構如下圖所示（來自TI升壓電源芯片TPS61178X數據手冊）：

當然，異步整流升壓芯片就沒必要再弄個BST引腳了，因為NMOS管已經是比較理想的架構了，我們在文章《開關電源（2）之BOOST變換器》中也是用NMOS管來仿真的，如下圖所示：

PMOS管有時也納了悶了：我招誰惹誰了我，辛辛苦苦勤勤懇懇地工作幾十年，竟然沒人欣賞我，不由得心生“既生瑜，何生亮”之感慨，然則原因何在？

前面提到過，PMOS管的導通電阻比NMOS管的導通電阻要大，我們可以找外部參數盡量相同的數據手冊來對比一下，如下圖所示：?

在相同的工藝、耐壓等條件下，NMOS導通電阻為0.036W（W就是歐姆的意思，形狀很像符號Ω），而PMOS導通電阻要大得多，其值為0.117Ω，當然，這并不能作為PMOS管的導通電阻比NMOS要大的直接證據，然而事實上，在相同的工藝及尺寸面積條件下，PMOS管的導通電阻確實要比NMOS管要大，這樣PMOS開關管的導通損耗比NMOS要大。

將PMOS管應用場合比較少的原因歸結于P溝道導通電阻更大似乎是個比較理想的答案，然而我們還是不禁要問一下：為什么PMOS管的導通電阻比NMOS要大呢？這主要是源自于導通溝道在一個特性方面的差別：電子遷移率（Electron mobility）。

我們在文章《二極管》里講解PN結的時候，已經提到過P型半導體與N型半導體的由來，P型半導體就是在本征半導體（純凈無摻雜的）中摻入3價的元素（如硼元素），其結構如下圖的所示：

在合理的范圍內摻入的雜質越多，則多數載流子空穴就更多，P型半導體的導電性也似乎將會變得更好。

編輯：黃飛

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