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PMOS做固态继电器,做高侧双向开关,防电流倒灌,防反接电路 [复制链接]

之前论坛有一个讨论的特别火一个话题【图中两个PMOS串联起来使用目的是什么】,本来想看看之前拆解的罗马仕充电宝中的该电路,但是抄板技术不娴熟,所以特意上网找了一些双PMOS的应用场景和电路分析。

用MOS做高侧开关时,PMOS比NMOS更便于控制:1、不用额外的电荷泵升压;2、只要将栅极拉低和置高就能控制通断。随着半导体工艺的进步,PMOS在导通内阻上的参数也逐渐好转,使得PMOS在电流不是特别大、对压降不是特别敏感的高侧开关场合,拓宽了应用。

下面列举一些PMOS做电源防倒灌、防电源反接、固态开关的电路。

1、PMOS防电源反接(电流倒灌实例)

1.png

2.png


上述两张图的电路可用于防电源反接,但不防电源倒灌,来分析这个电路:

1、电源从左侧正常输入时:

当VCC有效时,PMOS的体二极管率先导通,随后S极的电压由先前的0V变成了(VCC-0.7),此时Vgs = 0 -(VCC-0.7)= -VCC+0.7。
一般PMOS的G极导通阀值为-1~2V,而绝大多数的电源电压差都要超过这个值。故Vgs超出G极导通阀值,Q1完全导通。
随着Q1完全导通,Q1的DS两端的电位差被拉低到 (此时的导通内阻 x 流过的电流),这个值一般都很小,远小于0.7V,Q1的体二极管被短路关断,并且Q1持续导通。
之后VCC向负载正常供电。负载的电压取决于MOS的压降,压降为 MOS的导通内阻 x DS电流。较小的导通内阻可获得很低的压降、很低的发热、很高的负载效率。因为MOS的导通内阻通常为几mΩ~几十mΩ,在几A的电流下压降仅仅0.0x ~ 0.xV,比肖特基二极管的0.3V更为高效。(并且二极管的压降并不是固定的,根据二极管的特性曲线得知,电流越大压降也会变得越大,所以现在的高效率电路都在用MOS来替代二极管,如DCDC的同步整流方案:省略了外部的二极管,降低了整体发热,提高了输出效率,提高了可输出电流,便于集成为单芯片转换器,减少了占地面积)
因为MOS的开通速度非常迅速,所以不用担心体二极管因电流过大造成损坏,器件的电流上升都有一个过程,而在过程刚开始的几ns,可能PMOS就已完全导通,体二极管之后就会被短路关断。
注意:图上的稳压管D1,是为了防止VCC>12V,造成MOS的G极损坏。分析电路时,可去掉稳压管来分析。

2、VCC和GND反接,电路保护:

因为Q1的体二极管反接,始终处于关断状态,即使负载为0Ω的通路,S极的电位也始终保持与G极相等,Q1始终处于关断状态。电路关断,起到电源反接保护的作用。


2、电源倒灌的情形
还是上面那两张图,如果假设负载是个电池,而VCC并不是一直供电的情况。

负载输出电流,会造成负载向左侧电源端的电流倒灌:

假设右侧的负载就是个电池,电压为Vb。
当VCC无效时,PMOS的S极直接连接负载电源,G极电位为0。此时Q1的 Vgs = 0 - Vb。故只要负载输出的电压Vb 超出 Vgs最小导通阀值,就会造成PMOS导通,电流从右向左倒灌。进而可能引起电路上的一系列故障。
并且图2因为稳压管在左侧,需要PMOS先开通才能钳位Vgs,极端条件下很有可能造成MOS损坏。
那怎么处理,在上述条件下,电流的倒灌??


3、固态继电器电路(防倒灌,需要一个I/O额外控制开关)
可以防电流倒灌,并且不需要额外控制I/O的电路,还没找到。(如果真的有,那用处就很多了,如:理想二极管、单向开关。NMOS的理想二极管芯片太贵了,还望知情人士指导)

但可以通过增加一控制I/O,控制开通。并且能在主动关断时,防止倒灌。

3.png

如上这个电路,这个电路广泛使用在 电源管理、充电控制上,可参照这个手册第4/5页面:
IP2716 集成PD、QC高压快充协议的电源管理 SOC

这个电路好就好在它是个双向开关,而且可完全控制开通/关断,完全可以替代机械继电器来做固态继电器(前提是输入的信号电压不能太低,起码超出PMOS的G极导通电压范围)。下面来分析原理:

CONTROL电平为高,电路开通,双向导通:

如CONTROL电平为高,则Q4 NMOS开通,Q2、Q3的G极电位均被拉低到0V。
Q2的体二极管率先导通,Q2的S极电平为VCC-0.7V,因为G极电平为0,所以满足开通条件,Q2完全导通。
而Q3此时的S极与Q2的S极相连,电位相同,均为VCC。并且G极电平为0,也满足开通条件,Q3也完全导通。之后VCC向负载正常供电。
反过来,如果VCC=0,而负载是电压源,也同样导通,只不换成了Q3的体二极管先导通,然后再轮到Q2。
CONTROL电平为低,电路完全关断:

CONTROL电平为低,Q2、Q3都会被关断,并且R2持续上拉,保持Vgs=0,两个PMOS全部处于完全关断状态。并且因为Q2、Q3的体二极管是反向串联的,所以无论从左还是从右侧,流经DS的电流只有反向漏电流,几乎是没有的。
4、与之类似的开关电路还有
上面的开关电路固然非常好,但需要的元件数量的比较多,并且需要串联两个PMOS,会对负载效率和成本造成一定的影响。

如果只由一侧向另一侧供电,不考虑也不存在电流倒灌的情景。(实际中大多是是这种情景)来设计一个高侧开关的话,可以是下面这种样式:

下图能控制开通/关断,但不能防止电流倒灌。(体二极管会导通)

4.png

大家也可以就以上电路进行讨论~

此帖出自电源技术论坛

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 PMOS做固态继电器这个有时用到了,不知道是这样叫啥电路

总结不错


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