MOS管的應(yīng)用電路

MOS管的應(yīng)用電路1.概述芯片的集成度雖然越來越高，但是整個(gè)電路功能的實(shí)現(xiàn)，還是離不開分離器件的搭配，本文就針對(duì)筆者在實(shí)際工作中的關(guān)于MOS管（三極管）的應(yīng)用做一些整理。本文所介紹的功能，使用三極管也是可以的，但是實(shí)際應(yīng)用中，多使用MOS管，故本文多以MOS管進(jìn)行說明。2.應(yīng)用2.1NMOS開關(guān)控制如圖，通過NMOS的開關(guān)作用，完成對(duì)LED的亮滅控制。此時(shí)MOS管工作于截止區(qū)和可變電阻區(qū)?？刂贫藸顟B(tài)LED0為高電平點(diǎn)亮LEDLED0為低電平LED熄滅對(duì)于NMOS，當(dāng)Vgs=Vg-Vs>0時(shí)，NMOS導(dǎo)通；當(dāng)Vgs=Vg-Vs<0時(shí)，NMOS斷開。2.2PMOS電源控制2.2.1IO控制PMOS在整個(gè)電路系統(tǒng)中，其中某一部分的電路上電通過控制中可以方便用于通斷控制。上圖的電路中，使用時(shí)需要注意的一點(diǎn)是VCC_IN與控制端的電平PWR_CON要處于同一標(biāo)準(zhǔn)（eg：VCC_IN=3.3V；PWR_CON高電平=3.3V）?？刂贫藸顟B(tài)PWR_CON為高電平PMOS斷開，VCC_OUT

無(wú)電壓輸出PWR_CON為低電平PMOS導(dǎo)通，VCC_OUT

有電壓輸出，VCC_IN≈VCC_OUT對(duì)于PMOS，當(dāng)Vgs=Vg-Vs<0時(shí)，PMOS導(dǎo)通；當(dāng)Vgs=Vg-Vs>0時(shí)，PMOS斷開。因?yàn)镸OS管的導(dǎo)通壓降是非常小的，所以在Rds之上的能量損耗是比較少的。2.2.2NMOS控制PMOS進(jìn)一步地，上圖的電路可以擴(kuò)展為下圖，PMOS的柵極通過NMOS來控制。拓展為此電路，針對(duì)VCC_IN與PWR_CON電壓就沒有強(qiáng)制的要求了。當(dāng)PWR_CON為高電平的時(shí)候，NMOS導(dǎo)通，PMOS的柵極被拉低到低電平，PMOS導(dǎo)通，VCC_OUT有電壓輸出；反之，當(dāng)PWR_CON為低電平時(shí)，NMOS關(guān)斷，從而使PMOS也斷開，這樣就完成了VCC_IN輸出電壓到VCC_OUT的控制。2.2.3按鍵上電控制上圖的電路，就可以完成所謂的按鍵開機(jī)的功能。（1）按下K1按鍵，PMOS的柵極被拉低，Vgs<0，PMOS導(dǎo)通，VCC_OUT有電壓輸出；（2）VCC_OUT有電壓輸出，按鍵按下時(shí)可完成對(duì)MCU的供電，然后軟件端通過MCU的GPIO進(jìn)而控制NMOS的柵極，即PWR_CON。先通過KEY_DET檢測(cè)到按鍵動(dòng)作，然后把PWR_CON設(shè)置為高電平，NMOS導(dǎo)通，使得PMOS也導(dǎo)通，這時(shí)候抬起按鍵，VCC_OUT一端也有電壓穩(wěn)定輸出，就實(shí)現(xiàn)了按鍵上電開機(jī)的功能。此電路的二極管，功能是防止電壓反竄和對(duì)MCU的GPIO的保護(hù)。功能流程：2.3反相（非門邏輯）如果電路中需要實(shí)現(xiàn)邏輯非的功能，可以采用MOS管（三極管）加上電阻來實(shí)現(xiàn)，如下圖所示：控制端狀態(tài)INPUT為高電平OUTPUT為低電平INPUT為低電平OUTPUT為高電平通過一個(gè)MOS管（三極管）加上兩個(gè)電阻，就可以實(shí)現(xiàn)非門的邏輯。具體的應(yīng)用可參考本文：再學(xué)SPI——（一）SPI片選信號(hào)2.4電池防反接功能在大多數(shù)的電池防反接電路中，常選擇壓降小的二極管（如：肖特基二極管）來完成，但是針對(duì)如3.7V鋰電池的應(yīng)用場(chǎng)景，肖特基約為0.2V的壓降天然的造成了電池容量的浪費(fèi)，而MOS管導(dǎo)通的低壓降（Vds）就有很大的優(yōu)勢(shì)了。如上圖所示，PMOS在此處的作用就是防止VBUS存在時(shí)，LDOVin端的電壓反竄到電池上。原理分析：（1）當(dāng)USBVBUS存在時(shí)，PMOS的柵極電壓Vg=5V，源極電壓Vs=3.7V（假設(shè)此時(shí)的電池電壓為3.7V），Vgs=5-3.7=1.3V（大于0），此時(shí)PMOS關(guān)斷，就起到了防止Vin端電壓反竄的作用；（2）當(dāng)USBVBUS不存在時(shí)，PMOS的柵極通過10K的電阻下拉到GND，因此柵極電壓Vg=0V，源極電壓Vs=3.7V（假設(shè)此時(shí)的電池電壓為3.7V），電池通過PMOS自身的寄生二極管使得Vs=3.7V，所以PMOS的導(dǎo)通電壓Vgs=0-3.7=-3.7V，PMOS導(dǎo)通，這樣就完成了電池電壓到Vin端的輸入。上圖的LDO電路，只要使能端LDO_CON給一個(gè)開啟信號(hào)，輸出端V_3V3就可以穩(wěn)定輸出3.3V，C3、C4為L(zhǎng)DO的輸入輸出電容，一般大于1uF（具體參考數(shù)據(jù)手冊(cè)取值）。具體的應(yīng)用可參考本文：電源防反接小結(jié)2.5IO通信雙向切換在一些設(shè)備中，如果兩個(gè)通過IO連接的器件，某一時(shí)刻，一個(gè)處于休眠，一個(gè)處于掉電，這時(shí)候就會(huì)導(dǎo)致休眠的器件向掉電的器件灌入電流，為了完全杜絕此狀態(tài)下的電路竄入，可采取如下電路的設(shè)計(jì)（比如：I2C的SDA信號(hào)）原理分析：M_DATAS_DATA導(dǎo)通狀態(tài)方向高電平高電平Vgs=0V，MOS管截止M_DATA--->S_DATA低電平低電平Vgs>0V，MOS管導(dǎo)通M_DATA--->S_DATAS_DATAM_DATA導(dǎo)通狀態(tài)方向高電平高電平M_DATA通過上拉電阻R9設(shè)置成高電平，MOS管截止S_DATA--->M_DATA低電平低電平S_DATA=0，NMOS的寄生二極管導(dǎo)通，進(jìn)而使得Vgs>0，MOS管導(dǎo)通，M_DATA為低電平S_DATA--->M_DATA如上面兩個(gè)方向的表格分析，這樣通過NMOS就完成了一個(gè)IO雙向通信的控制。（只能選擇NMOS，不可選擇PMOS，原因讀著可以自行分析一下）2.63.3V與5V的電平轉(zhuǎn)換（1）MOS實(shí)現(xiàn)：在實(shí)際的應(yīng)用中，常會(huì)遇到通信的兩個(gè)芯片之間的電平不匹配的問題，這時(shí)候就需要通過外部的電路來完成電平匹配的工作（如：MCU的電平為3.3V，而外設(shè)的電平為5V）。原理分析：3V3_DATA5V_DATA導(dǎo)通狀態(tài)方向高電平高電平Vgs=0V，MOS管截止3V3_DATA--->5V_DATA低電平低電平Vgs>0V，MOS管導(dǎo)通3V3_DATA--->5V_DATA通過3.3V端高低電平的變化，使得NMOS對(duì)應(yīng)開關(guān)，就完成了3.3V電平到5V電平的轉(zhuǎn)換。5V_DATA3V3_DATA導(dǎo)通狀態(tài)方向高電平高電平MOS管截止，3V3_DATA通過上拉電阻R12設(shè)置成高電平5V_DATA--->3V3_DATA低電平低電平5V_DATA=0，NMOS的寄生二極管導(dǎo)通，進(jìn)而使得Vgs>0，MOS管導(dǎo)通，M_DATA為低電平5V_DATA--->3V3_DATA反之，也完成了對(duì)5V設(shè)備的數(shù)據(jù)的讀取。注：此電路用三極管也可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能，如下圖：（2）兩級(jí)NPN實(shí)現(xiàn)：如下圖所示，3.3V與5V之間的電平轉(zhuǎn)換，也可以通過兩級(jí)的NPN三極管來實(shí)現(xiàn)。原理分析：3V3_DATA5V_DATA導(dǎo)通狀態(tài)方