第二课 P-MOS管应用

一、P-MOS管以AO3401为例分析应用时需要注意的几个参数

1、P-MOS 的开关参数——Vgs

不同栅源电压（VGS）下的导通电阻（RDS (ON)），

• -30V：指该 MOS 管的额定电压（耐压值），表示其能承受的最大反向电压为 30V（因是 P 沟道器件，电压极性为负）。

• RDS(ON)=42mΩ(TYP.) @VGS=-10V：当栅源电压为 - 10V 时，该 MOS 管的导通电阻典型值为 42 毫欧（mΩ）。

• RDS(ON)=49mΩ(TYP.) @VGS=-4.5V：当栅源电压为 - 4.5V 时，导通电阻典型值为 49 毫欧。

• RDS(ON)=72mΩ(TYP.) @VGS=-2.5V：当栅源电压为 - 2.5V 时，导通电阻典型值为 72 毫欧。

• 导通电阻（RDS (ON)）是 MOS 管导通时漏极与源极之间的电阻，其值越小，导通时的功率损耗越低。对于 P 沟道 MOS 管，栅源电压（VGS）越负（绝对值越大），导通能力越强，RDS (ON) 越小，这与上述参数变化趋势一致。这些参数是选择 MOS 管时的重要依据，需根据实际电路的电压和功耗需求匹配。

2、引脚定义

3、最大值参数分析

1、Drain-Source Voltage” 的中文是漏源电压（BVDSS），通常缩写为VDS，是 MOS 场效应晶体管（MOSFET）的核心电气参数之一。

        MOS 管工作时，漏极（Drain，D）与源极（Source，S）之间的电压差。这一参数直接反映了 MOS 管能承受的最大电压能力，实际应用中，加在漏极和源极之间的电压绝不能超过器件规格书中规定的最大漏源电压（通常标注为 VDS (max)），否则可能导致器件击穿损坏。

2、Gate-Source Voltage” 的中文是栅源电压，通常缩写为VGS，MOS 管工作时，栅极（Gate，G）与源极（Source，S）之间的电压差。使用时不能超过此值，否则可能导致栅极绝缘层击穿，损坏器件。

3、Continuous Drain Current” 的中文是连续漏极电流，通常缩写为ID(Cont) 或 ID(ON)，

在规定的工作条件下（如特定的环境温度、散热条件等），MOS 管能够持续稳定导通时，漏极（D）允许通过的最大电流值。

• 该参数直接反映了 MOS 管的持续载流能力，是电路设计中选择器件的核心依据之一（需确保实际工作电流不超过此值）。

例如，若某 MOS 管的连续漏极电流为 10A（25℃时），则意味着在正常散热条件下，它能持续通过不超过 10A 的电流而不会因过热损坏。

4、“Maximum Power Dissipation” 的中文是最大功耗，通常缩写为PD(max)，在规定的工作条件下（如特定的环境温度、散热条件等），器件能够安全承受的最大功率损耗值。

5、“Pulsed Drain Current” 的中文是脉冲漏极电流，通常缩写为ID(Pulse)，是 MOS 场效应晶体管（MOSFET）的一项电流参数。其含义是：在短时间脉冲工作状态下（脉冲宽度较窄，且脉冲之间有足够的间隔时间让器件散热），MOS 管漏极（D）允许通过的最大电流值。

与连续漏极电流的区别：

• 连续漏极电流（Continuous Drain Current）：强调器件在长期、持续导通时的最大安全电流，受散热条件和持续发热限制较严格。
• 脉冲漏极电流：因电流持续时间短（如微秒级），器件发热有限，所以允许通过的电流值通常远大于连续漏极电流。例如，某 MOS 管的连续漏极电流可能为 10A，而脉冲漏极电流可达 50A（需满足特定脉冲宽度和占空比条件）。

“Junction-to-Ambient Thermal Resistance” 的中文是结到环境热阻，通常缩写为RθJA，

• 热阻越小，表明热量从芯片结区散发到环境的效率越高，器件在相同功耗下的结温（Tj）越低，工作越稳定。

• 计算公式：结温（Tj）= 环境温度（Ta） + 功耗（Pd）× 结到环境热阻（RθJA）。通过该公式可估算器件在特定功耗和环境温度下的结温，确保其不超过最大额定结温（Tj (max)）。

4、电气特性分析

1、P-MOS在关断状态下的特性

（1）“Drain-to-Source Breakdown Voltage” 的中文是漏源击穿电压，通常缩写为BVDSS，

实际应用限制：电路设计中，实际施加的 VDS 必须远低于 BVDSS，需预留足够的安全余量（通常建议不超过 BVDSS 的 80%），以应对电压尖峰（如感性负载开关时的反电动势）。

• 例如，在 12V 输入的 DC-DC 转换器中，需选择 BVDSS 大于 12V 且留有裕量的 MOS 管（如 20V 或 30V）；而在 220V 交流整流后的电路中，可能需要选择 600V 以上 BVDSS 的器件。

（2）“Zero Gate Voltage Drain Current” 的中文是零栅压漏极电流，通常缩写为IDSS，描述器件在截止状态下的漏电流特性。

IDSS 反映 MOS 管在完全关断时的漏电性能，该值越小，说明器件的截止状态越理想，静态功耗越低。

应用：

• 待机功耗：在电池供电或低功耗设备中，IDSS 直接影响待机状态下的能量损耗。例如，在物联网传感器节点中，极小的 IDSS 可延长电池寿命。
• 可靠性：若 IDSS 异常增大，可能预示器件老化或损坏。
• 电路设计：在高阻抗电路（如精密放大器、采样保持电路）中，需选择 IDSS 极低的 MOS 管，以避免漏电流影响信号精度。

与其他参数的关联

• 与 BVDSS 的关系：击穿电压越高，IDSS 通常越大。
• 与 VGS (th) 的关系：阈值电压 VGS (th) 越高，IDSS 越小（因为更难形成导电沟道）。

（3） “Gate-to-source Leakage Current” 的中文是栅源漏电流，通常缩写为IGSS描述器件在栅极与源极之间的绝缘性能。IGSS 反映 MOS 管栅极绝缘层（通常为二氧化硅）的完整性和质量。理想情况下，栅极与源极之间应完全绝缘，但实际中存在微弱的漏电流。

在高频开关应用中，IGSS 会影响驱动电路的静态功耗。例如，在电池供电的设备中，需选择 IGSS 极低的 MOS 管以降低待机功耗。

与其他参数的关联

• 与 VGS (max) 的关系：最大栅源电压 VGS (max) 越高，IGSS 通常越大。
• 与 Qg 的关系：IGSS 过大会增加栅极电荷的泄漏速率，影响开关速度的稳定性。

2、P-MOS在开状态下特性

（1）“Gate Threshold Voltage VGS (TH)” 的中文是栅极阈值电压，器件开始导通所需的最小栅源电压。

• 数值范围：
  • 最小值（Min）：-0.5V：这是器件能够导通的最低栅源电压。
  • 典型值（Typ）：-0.9V：代表大多数器件在测试条件下的阈值电压。
  • 最大值（Max）：-1.1V：表示即使在生产工艺波动的情况下，器件导通所需的最大栅源电压。

驱动电路设计

为了确保 P 沟道 MOSFET 可靠导通，栅源电压必须低于阈值电压。例如：

• 若 VGS (TH) 最大值为 - 1.1V，实际设计中通常需要 VGS ≤ -1.5V（留 0.4V 以上的裕量）。
• 在 3.3V 系统中，若源极接 VCC（3.3V），则栅极需拉低至 3.3V - 1.5V = 1.8V 以下才能可靠导通。

与导通电阻 RDS (ON) 的关系

• 当 VGS 越负（绝对值越大），沟道导通越充分，RDS (ON) 越小。
• 例如，AO3401A 在 VGS=-10V 时 RDS (ON)=42mΩ，而在 VGS=-2.5V 时 RDS (ON)=72mΩ。因此，若驱动电压不足（如接近阈值电压），导通电阻会显著增加，导致功耗上升。

 3、开关过程中动态特性的关键参数

（1）“Reverse Transfer Capacitance” 的中文是反向传输电容，通常缩写为Crss，主要描述器件中漏极（D）与栅极（G）之间的电容特性。

• 选择原则：
  • 高频开关电源、射频放大器等场景需优先选择 Crss 小的器件，以减少米勒效应和开关损耗；
  • 低频应用中，Crss 的影响较小，可结合其他参数（如导通电阻 RDS (ON)）综合选择。

(2) “Total Gate Charge” 的中文是总栅极电荷，通常缩写为Qg,用于描述器件从截止状态完全导通所需的电荷量。

Qg 直接决定了 MOSFET 的开关时间。Qg 越小，驱动电路对寄生电容的充放电时间越短，开关速度越快，适用于高频应用（如 MHz 级开关电源）

4、开关特性

1. 开通延迟时间（Turn-On Delay Time, td (ON)）

• 定义：从栅极电压（VGS）上升到阈值电压（VGS (TH) 的 10%）开始，到漏极电流（ID）达到其最终值的 10% 所需的时间。
• 数值：10ns
• 物理意义：驱动信号施加后，器件开始响应并准备导通的延迟，主要由栅源电容（Cgs）的初始充电时间决定。

2. 上升时间（Rise Time, tr）

• 定义：漏极电流（ID）从最终值的 10% 上升到 90% 所需的时间。
• 数值：80ns
• 物理意义：器件从开始导通到完全导通的过渡时间，与栅极驱动电流、寄生电容（尤其是栅漏电容 Cgd）密切相关。

3. 关断延迟时间（Turn-Off Delay Time, td (OFF)）

• 定义：从栅极电压（VGS）下降到阈值电压（VGS (TH) 的 90%）开始，到漏极电流（ID）下降到其初始值的 90% 所需的时间。
• 数值：120ns
• 物理意义：驱动信号撤销后，器件开始响应并准备关断的延迟，与栅极电荷的释放速度相关。

4. 下降时间（Fall Time, tf）

• 定义：漏极电流（ID）从初始值的 90% 下降到 10% 所需的时间。
• 数值：35ns
• 物理意义：器件从开始关断到完全截止的过渡时间，受栅极放电速度、载流子复合速度影响。

开通过程（td (ON) + tr = 90ns）比关断过程（td (OFF) + tf = 155ns）更快。

• 单次开关总时间 ≈ 90ns + 155ns = 245ns，对应理论最大频率 ≈ 1/245ns ≈ 4MHz。
• 实际应用中，考虑安全裕量，建议工作频率 ≤ 2MHz，以避免过高的开关损耗。

 5、BODY DIODE CHARACTERISTICS（体二极管特性） 是描述其内部寄生二极管（又称体二极管、续流二极管）性能的关键参数。

• 核心作用：在开关电路中，当 MOSFET 关断时，若负载存在电感（如电机、变压器），电感产生的反向电动势会使体二极管导通，为电流提供续流通路，避免器件被过压击穿。

当POWER_CTRL为低时P-MOS打开MCU_3V3经过MOS管流向VCC_3V3。

上图中，当VBUS USB输入口有电压时VGS不导通，VBUS比VIN少走一个二极管，VGS电压为0.56V，故不导通，使用外部USB 供电，当拔掉USB后，VBUS=0;VIN为电池电压，所有电池供电，PMOS管导通。