常用MOS电源开关电路图 NMOS、PMOS高低侧电源开关电路设计
随着对器件的控制需求提升，越来越多的电源开关电路出现在设计中。这些设计的目的各有不同：有的需要快速开通与关断，有的需要低导通电阻+大电流，有的需要闲时0功耗。虽然应用场合不同，但做开关可是mos的强项。下面来介绍几种产品设计中常用的mos做电源开关的电路。
1、nmos低侧电源开关
【低侧驱动，最简单最实用，但不一定适用所有的电路，会对部分电路的工作有影响】
由于nmos和pmos在原理和生产工艺上存在差异，导致同价格的nmos在开通速度、额定电流、导通内阻这些参数上均优于pmos，所以设计中尽量优先选择nmos。
下图为使用nmos，最简单的开关电路。(低侧驱动)
control为控制信号，电平一般为3~12v。负载一端接电源正极，另一端接nmos的d(漏极)。
control电平为高时，vgs>nmos的vgs导通阀值，mos导通，负载工作。
control电平为低时，vgs=0，mos关断，负载停机。
1.1、设计时注意事项
1.1.1、泄放电阻 r1
上面这个电路中，通常都会在nmos的g极、s极间，并联一个10k左右的电阻。这个电阻通常被叫做泄放电阻，用来泄放gs极间的电荷。加它的原因是因为mos的gs极间的阻值非常高，通常为m欧以上，并且gs间还有结电容，这就导致gs一旦充电，就很难释放掉。如果没有这个泄放电阻，在g极通入高电平，负载会工作，而将g极上的控制信号拿开，由于结电容的存在，gs间的电压会维持在导通阀值以上很长一段时间，负载仍会继续工作。而加了泄放电阻，会加快泄放速度，使电路功能更加合理易用。
1.1.2、vgs电压范围 对导通速度、导通内阻的影响
通常来讲，to-220、to-251aa、sop-8、so-8(dfn3x3 5x5)、to-252、to-263 这些封装较大的器件，其额定耐压、额定电流都比较大，vgs的最大允许范围一般为± 20v。
因vgs的驱动电压越高，mos的导通电阻就越小，导通速度也越快，所以像电机控制一般多使用12v作为驱动电压。(见下图手册，vgs=4.5v 和 10v 时，mos导通内阻的对比)
sot-23封装的mos，其vgs最大范围一般为± 12v。
切莫使vgs超出手册规定的范围，会使mos损坏。
下图为 irlr7843 - nmos 数据手册的部分内容。
1.1.3、寄生结电容 | 驱动电流 | 栅极驱动器
1.1.3.1、寄生结电容 对开断速率的影响
mos的gs极间的寄生结电容大小，影响了开断速度。越小开断越快，响应越迅速。选型时，应尽量选择小的，可以有更快的开断速度，以降低开关损耗。
1.1.3.2、寄生结电容 和 驱动频率 对驱动电流的需求
mos的gs极内阻非常大，对外主要体现为容性，低频时对电流的需求不明显，而随着频率升高，电容充放电频率的加快，电容的容抗与频率成反比，容抗变小。
容抗公式
这时在输入信号的频率相对较高的条件下，驱动mos就需要比以前大得多的驱动电流。大到一定程度，mcu端口能提供的几ma电流就显然不够用了，继续使用mcu端口直驱，一方面会使mcu过载，另一方面会对输出信号的波形造成衰减，严重时会影响nmos的正常开通。
这种情况，常见于电机控制或者电源转换。控制信号通常为几十khz~几m的pwm波形。需要使用专用的mos栅极驱动ic。nmos的低侧驱动ic很简单，内部大多为一个半桥。市面上使用更多的驱动ic为高侧+低侧栅极驱动ic，即为nmos半桥栅极驱动，而单单低侧的栅极驱动由于较为简单，搞个np对管就能实现相近的效果，即使芯片有很多选择，也并不常用。
2、nmos高侧电源开关(高侧驱动，稳定、性能好)
【也叫高端驱动、高边驱动，因高端中文容易混淆，所以一般书面形式叫高边、高侧的会多一些】
nmos做低侧开关，是用nmos将元件的gnd浮空，并通过开通gnd开开关电路负载。
一般的电路这样用可能没什么问题，但有的则不行，例如需要低侧电流采样的电机驱动电路，可能导致工作异常。或者有电源完全断开的需求，nmos低侧开关显然不适合。
nmos的高侧栅极驱动，一般需要搭配额外的栅极驱动芯片，这类芯片大体有两种：
1、集成电荷泵的nmos高侧驱动：一种是内部集成电荷泵的。可允许高侧nmos的持续开通，即允许100%占空比输入。性能稳定，但栅极驱动器芯片的成本略高。
2、电容浮栅自举：另一种是通过电容浮栅自举。需要输入信号为pwm，通常只允许99%占空比输入，以在空闲时间给自举电容充电。这种应用需要限制pwm信号的占空比，不能100%占空比输入，不能高侧持续导通。
电容浮栅自举电路原理
电机控制和功率变换应用中，较多使用的是电容浮栅自举，其内部电路形式大多为 高侧+低侧栅极驱动ic，或者叫nmos半桥栅极驱动ic。其内部集成死区控制器，以防止半桥上下管同时开通，造成短路mos过流损坏，俗称炸管。常用型号如 ir2101、ir2104、ir2110、ir2130，市面上的大多数栅极驱动ic多以这几款ic为仿照蓝本。
下面简述下电容自举电路的原理，其是如何实现高压隔离和 电容自举充放电的。个人理解可能有偏颇，还望指正。这里以 ir2101 的手册为例。
请留意第二张的右上角：
0、图1右侧的to与load是直接连接的，且 hin、lin 的信号近似为差分(一般会额外插入些死区)，所以右侧半桥输出的电平，可以近似的看为 0 ~ 600v 的数字信号，输出不是600v就是0v。这是大前提，这里先不考虑外部负载对上升、下降沿过程的影响，近似看做纯数字电路来方便理解。
1、当输入信号 hin 为0时，图2右上角的 高侧mos关断，低侧mos导通。外部高侧nmos的gs通过内部的低侧mos来迅速放电，使外部高侧mos关断。于此同时，外部低侧mos导通，半桥输出电平为0v，可近似看作自举电容的低边直接接到了gnd上，构成了自举电容的充电回路。这时自举电容会在二极管的辅助下，择机充电。
2、当输入信号 hin 为1时，图2右上角的 高侧mos导通，低侧mos关断。自举电容通过 vb -> ho 路径向 外部的高侧nmos放电，于是外部的高侧nmos导通，自举电容逐渐放电电压缓慢变低。因mos的gs极间内阻非常大，外部的高侧nmos可以保持导通很长时间。【这步相当于将冲好电的自举电容，突然架空gnd，再瞬间转移到到 vs 和 ho 上，使外部nmos的gs间电位与自举电容保持一致。整个过程与电荷泵倍压的原理几乎是一样的，只不过这里的充放电频率与hin、lin的频率保持一致，而电荷泵倍压一般使用内置震荡源】
因 hin、lin 输入信号为pwm，且限制最大占空比为99%，上面过程随pwm周期重复。
nmos电荷泵高侧驱动ic的一些型号
在ic厂商官网的产品选型页，不是很容易直接搜到 mos高侧驱动。一般被叫做 热插拔控制器，额外集成了高边差分放大器，对浪涌电流进行保护。
ti的 高侧开关产品列表，其mos都是内部集成的，不能外接nmos。好不容易能在 电子保险丝和热插拔控制器 中找到个 lm5060。单纯的nmos高侧驱动型号很少，大多都是集成电流保护的 热插拔控制器。
adi 有专门的 热插拔控制器 和 高侧栅极驱动器 分类，能外接nmos的型号还是非常多的。如ltc4380、adm4210、ltc4440、ltc7000。
随着电机控制对foc需求的激增，同时也促使了mos栅极驱动器的集成度提高，诸如drv8301、drv8305 这些集成了三相半桥栅极驱动、dcdc降压、高侧电荷泵涓流充电、多路增益可编程的差分放大器、可调死区控制器 的驱动器，被越来越多的应用到产品设计 上。
3、pmos高侧电源开关(高侧驱动，稳定、简单)
nmos做高侧开关的性能比较好，但因为要增加额外的栅极驱动ic，会使电路变得复杂，成本也会随之提升。除开电机控制和电源转换的场合，一般对开通速度、导通内阻、过电流能力 无细致需求的话，pmos无疑是做开关的较好选择。
近年来随着mos工艺的升级，pmos的参数还是较nmos差，但导通内阻<10m欧的pmos型号越来越多了。pmos做高侧开关的最大优势，是不用电荷泵驱动，简单方便，还降低成本。
下图是pmos做高侧开关的电路，control为控制信号，电平范围为0~vcc。
control为0v时，vgs导通阀值，pmos关断，负载停机。
注意上图这里的输入信号 control，其低电平要保证vgs能使pmos开通;又要限制vgs不能小于手册上的最小允许电压，以避免pmos损坏。
但mcu或其他控制器的电平一般为固定的3.3v / 5v，而电路的vcc却要在一个很大的范围内变动。这就导致如果使用i/o口直接驱动的话，pmos不能关断，并且当vcc较大时，还会损坏mcu的i/o口。
所以pmos做高侧开关时，一般搭配一个小电流的nmos或者npn管，来做驱动电平转换。
如下图，nmos - q3负责做电平转换，来驱动q2 - pmos的开关。
当 control 为0时，q3关断，q2的g极电平被拉高为vcc，q2 - pmos关断，负载停机。
当control 为1，q3开通，q2的g极电平被拉低为0，q2 vgs<导通阀值，pmos开通，负载工作。
随之而来新的问题：如果vcc电压很高，在pmos开通时，导致vgs超出了手册中的vgs允许范围，也会造成pmos的损坏。
为了避免损坏pmos的栅极，在上面的电路中，添加一个稳压管和电阻，来达到钳位的作用，使vgs最小不低于-12v，以保护q2的栅极。(见下图)
特别注意：vcc电压较高时，需要重新计算各电阻的热功耗，来确定合适的封装，或者更改阻值。
pmos做低侧开关的实例实在是少之又少，并且pmos做低侧开关确实没什么好处，电路复杂且参数较差，不如直接用nmos，在此不做介绍。
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1、nmos低侧电源开关
【低侧驱动，最简单最实用，但不一定适用所有的电路，会对部分电路的工作有影响】
由于nmos和pmos在原理和生产工艺上存在差异，导致同价格的nmos在开通速度、额定电流、导通内阻这些参数上均优于pmos，所以设计中尽量优先选择nmos。
下图为使用nmos，最简单的开关电路。(低侧驱动)
control为控制信号，电平一般为3~12v。负载一端接电源正极，另一端接nmos的d(漏极)。
control电平为高时，vgs>nmos的vgs导通阀值，mos导通，负载工作。
control电平为低时，vgs=0，mos关断，负载停机。
1.1、设计时注意事项
1.1.1、泄放电阻 r1
上面这个电路中，通常都会在nmos的g极、s极间，并联一个10k左右的电阻。这个电阻通常被叫做泄放电阻，用来泄放gs极间的电荷。加它的原因是因为mos的gs极间的阻值非常高，通常为m欧以上，并且gs间还有结电容，这就导致gs一旦充电，就很难释放掉。如果没有这个泄放电阻，在g极通入高电平，负载会工作，而将g极上的控制信号拿开，由于结电容的存在，gs间的电压会维持在导通阀值以上很长一段时间，负载仍会继续工作。而加了泄放电阻，会加快泄放速度，使电路功能更加合理易用。
1.1.2、vgs电压范围 对导通速度、导通内阻的影响
通常来讲，to-220、to-251aa、sop-8、so-8(dfn3x3 5x5)、to-252、to-263 这些封装较大的器件，其额定耐压、额定电流都比较大，vgs的最大允许范围一般为± 20v。
因vgs的驱动电压越高，mos的导通电阻就越小，导通速度也越快，所以像电机控制一般多使用12v作为驱动电压。(见下图手册，vgs=4.5v 和 10v 时，mos导通内阻的对比)
sot-23封装的mos，其vgs最大范围一般为± 12v。
切莫使vgs超出手册规定的范围，会使mos损坏。
下图为 irlr7843 - nmos 数据手册的部分内容。
1.1.3、寄生结电容 | 驱动电流 | 栅极驱动器
1.1.3.1、寄生结电容 对开断速率的影响
mos的gs极间的寄生结电容大小，影响了开断速度。越小开断越快，响应越迅速。选型时，应尽量选择小的，可以有更快的开断速度，以降低开关损耗。
1.1.3.2、寄生结电容 和 驱动频率 对驱动电流的需求
mos的gs极内阻非常大，对外主要体现为容性，低频时对电流的需求不明显，而随着频率升高，电容充放电频率的加快，电容的容抗与频率成反比，容抗变小。
容抗公式
这时在输入信号的频率相对较高的条件下，驱动mos就需要比以前大得多的驱动电流。大到一定程度，mcu端口能提供的几ma电流就显然不够用了，继续使用mcu端口直驱，一方面会使mcu过载，另一方面会对输出信号的波形造成衰减，严重时会影响nmos的正常开通。
这种情况，常见于电机控制或者电源转换。控制信号通常为几十khz~几m的pwm波形。需要使用专用的mos栅极驱动ic。nmos的低侧驱动ic很简单，内部大多为一个半桥。市面上使用更多的驱动ic为高侧+低侧栅极驱动ic，即为nmos半桥栅极驱动，而单单低侧的栅极驱动由于较为简单，搞个np对管就能实现相近的效果，即使芯片有很多选择，也并不常用。
2、nmos高侧电源开关(高侧驱动，稳定、性能好)
【也叫高端驱动、高边驱动，因高端中文容易混淆，所以一般书面形式叫高边、高侧的会多一些】
nmos做低侧开关，是用nmos将元件的gnd浮空，并通过开通gnd开开关电路负载。
一般的电路这样用可能没什么问题，但有的则不行，例如需要低侧电流采样的电机驱动电路，可能导致工作异常。或者有电源完全断开的需求，nmos低侧开关显然不适合。
nmos的高侧栅极驱动，一般需要搭配额外的栅极驱动芯片，这类芯片大体有两种：
1、集成电荷泵的nmos高侧驱动：一种是内部集成电荷泵的。可允许高侧nmos的持续开通，即允许100%占空比输入。性能稳定，但栅极驱动器芯片的成本略高。
2、电容浮栅自举：另一种是通过电容浮栅自举。需要输入信号为pwm，通常只允许99%占空比输入，以在空闲时间给自举电容充电。这种应用需要限制pwm信号的占空比，不能100%占空比输入，不能高侧持续导通。
电容浮栅自举电路原理
电机控制和功率变换应用中，较多使用的是电容浮栅自举，其内部电路形式大多为 高侧+低侧栅极驱动ic，或者叫nmos半桥栅极驱动ic。其内部集成死区控制器，以防止半桥上下管同时开通，造成短路mos过流损坏，俗称炸管。常用型号如 ir2101、ir2104、ir2110、ir2130，市面上的大多数栅极驱动ic多以这几款ic为仿照蓝本。
下面简述下电容自举电路的原理，其是如何实现高压隔离和 电容自举充放电的。个人理解可能有偏颇，还望指正。这里以 ir2101 的手册为例。
请留意第二张的右上角：
0、图1右侧的to与load是直接连接的，且 hin、lin 的信号近似为差分(一般会额外插入些死区)，所以右侧半桥输出的电平，可以近似的看为 0 ~ 600v 的数字信号，输出不是600v就是0v。这是大前提，这里先不考虑外部负载对上升、下降沿过程的影响，近似看做纯数字电路来方便理解。
1、当输入信号 hin 为0时，图2右上角的 高侧mos关断，低侧mos导通。外部高侧nmos的gs通过内部的低侧mos来迅速放电，使外部高侧mos关断。于此同时，外部低侧mos导通，半桥输出电平为0v，可近似看作自举电容的低边直接接到了gnd上，构成了自举电容的充电回路。这时自举电容会在二极管的辅助下，择机充电。
2、当输入信号 hin 为1时，图2右上角的 高侧mos导通，低侧mos关断。自举电容通过 vb -> ho 路径向 外部的高侧nmos放电，于是外部的高侧nmos导通，自举电容逐渐放电电压缓慢变低。因mos的gs极间内阻非常大，外部的高侧nmos可以保持导通很长时间。【这步相当于将冲好电的自举电容，突然架空gnd，再瞬间转移到到 vs 和 ho 上，使外部nmos的gs间电位与自举电容保持一致。整个过程与电荷泵倍压的原理几乎是一样的，只不过这里的充放电频率与hin、lin的频率保持一致，而电荷泵倍压一般使用内置震荡源】
因 hin、lin 输入信号为pwm，且限制最大占空比为99%，上面过程随pwm周期重复。
nmos电荷泵高侧驱动ic的一些型号
在ic厂商官网的产品选型页，不是很容易直接搜到 mos高侧驱动。一般被叫做 热插拔控制器，额外集成了高边差分放大器，对浪涌电流进行保护。
ti的 高侧开关产品列表，其mos都是内部集成的，不能外接nmos。好不容易能在 电子保险丝和热插拔控制器 中找到个 lm5060。单纯的nmos高侧驱动型号很少，大多都是集成电流保护的 热插拔控制器。
adi 有专门的 热插拔控制器 和 高侧栅极驱动器 分类，能外接nmos的型号还是非常多的。如ltc4380、adm4210、ltc4440、ltc7000。
随着电机控制对foc需求的激增，同时也促使了mos栅极驱动器的集成度提高，诸如drv8301、drv8305 这些集成了三相半桥栅极驱动、dcdc降压、高侧电荷泵涓流充电、多路增益可编程的差分放大器、可调死区控制器 的驱动器，被越来越多的应用到产品设计 上。
3、pmos高侧电源开关(高侧驱动，稳定、简单)
nmos做高侧开关的性能比较好，但因为要增加额外的栅极驱动ic，会使电路变得复杂，成本也会随之提升。除开电机控制和电源转换的场合，一般对开通速度、导通内阻、过电流能力 无细致需求的话，pmos无疑是做开关的较好选择。
近年来随着mos工艺的升级，pmos的参数还是较nmos差，但导通内阻<10m欧的pmos型号越来越多了。pmos做高侧开关的最大优势，是不用电荷泵驱动，简单方便，还降低成本。
下图是pmos做高侧开关的电路，control为控制信号，电平范围为0~vcc。
control为0v时，vgs导通阀值，pmos关断，负载停机。
注意上图这里的输入信号 control，其低电平要保证vgs能使pmos开通;又要限制vgs不能小于手册上的最小允许电压，以避免pmos损坏。
但mcu或其他控制器的电平一般为固定的3.3v / 5v，而电路的vcc却要在一个很大的范围内变动。这就导致如果使用i/o口直接驱动的话，pmos不能关断，并且当vcc较大时，还会损坏mcu的i/o口。
所以pmos做高侧开关时，一般搭配一个小电流的nmos或者npn管，来做驱动电平转换。
如下图，nmos - q3负责做电平转换，来驱动q2 - pmos的开关。
当 control 为0时，q3关断，q2的g极电平被拉高为vcc，q2 - pmos关断，负载停机。
当control 为1，q3开通，q2的g极电平被拉低为0，q2 vgs<导通阀值，pmos开通，负载工作。
随之而来新的问题：如果vcc电压很高，在pmos开通时，导致vgs超出了手册中的vgs允许范围，也会造成pmos的损坏。
为了避免损坏pmos的栅极，在上面的电路中，添加一个稳压管和电阻，来达到钳位的作用，使vgs最小不低于-12v，以保护q2的栅极。(见下图)
特别注意：vcc电压较高时，需要重新计算各电阻的热功耗，来确定合适的封装，或者更改阻值。
pmos做低侧开关的实例实在是少之又少，并且pmos做低侧开关确实没什么好处，电路复杂且参数较差，不如直接用nmos，在此不做介绍。
浅谈电子信息领域的五个主要任务和五点要求
发展人工智能（AI)对企业的重要性
基于可编程微结构的离电子式压力传感器
华为高管表示：千元智能手机也可以支持5G网络
一文解析MEMS半导体元件
常用MOS电源开关电路图 NMOS、PMOS高低侧电源开关电路设计
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2018年新能源汽车现状如何 国内外车企对比
3C数字钥匙技术规范解读
元宇宙虚拟房产价格被“炒上天”
Net Delay在整个路径延时的占比是什么情况呢？
Tsisen电动跑车！清华本科生58天造出真跑车
激光雷达初创企业Innoviz将借壳上市
这是一款实用的双面接触式电容压力传感器设计方案，拿走不谢
Linux系统真的很吃内存？
AM02018041SF-3H功率放大器模块AMCOM