在硬件工程領(lǐng)域，PMOS 開(kāi)關(guān)電路是一種極為常見(jiàn)的電路，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)產(chǎn)品的電源控制中。然而，看似簡(jiǎn)單的 PMOS 開(kāi)關(guān)電路，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中卻可能出現(xiàn)一些棘手的問(wèn)題。本文將深入探討這些問(wèn)題的產(chǎn)生原因，并提供相應(yīng)的解決辦法。

PMOS 開(kāi)關(guān)電路基本原理

為了更好地理解后續(xù)的問(wèn)題及解決方法，我們先來(lái)了解一下 PMOS 開(kāi)關(guān)電路的基本工作原理以及各個(gè)器件的作用。當(dāng)控制信號(hào) PWR_EN 為高電平時(shí)，三極管 Q1 導(dǎo)通，R2 下端接地。由于 R1 和 R2 的分壓作用，MOS 管 M1 的 Vgs 會(huì)產(chǎn)生壓差 Vgs = -Vin * R1 / (R1 + R2)，從而使 M1 導(dǎo)通。相反，當(dāng)控制信號(hào) PWR_EN 為低電平時(shí)，三極管 Q1 不導(dǎo)通，R2 下端懸空，MOS 管 M1 的柵極會(huì)被 R1 拉到與輸入電壓 Vin 相同，即 Vgs = 0，M1 處于不導(dǎo)通狀態(tài)。通過(guò)控制 PWR_EN 的高低，我們就能實(shí)現(xiàn)對(duì) PMOS M1 導(dǎo)通和關(guān)斷的控制，這就是該電路的基本原理。

PMOS 開(kāi)關(guān)電路常見(jiàn)問(wèn)題及解決辦法

1. PMOS 開(kāi)關(guān)開(kāi)啟瞬間，前級(jí)電源電壓跌落或被拉死
   我們通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)分析這個(gè)問(wèn)題。在仿真中，給電路加上 20V 輸入電壓，電源內(nèi)阻設(shè)為 100mΩ，負(fù)載為 10Ω，負(fù)載濾波電容為 1000uF。當(dāng) PMOS 開(kāi)啟時(shí)，輸入端 Vin 電源從 20V 瞬間被拉到了 11.8V。這是因?yàn)?Vout 網(wǎng)絡(luò)連接了一個(gè) 1000uF 的大電容，開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，輸出電壓 Vout 要從 0V 上漲到 20V，電容需要從 0V 被充電到 20V。如果開(kāi)關(guān)時(shí)間較短，充電電流就會(huì)很大。根據(jù)公式 I = Q /t = C * U /t（其中 C 為電容量，U 為電壓，t 為開(kāi)關(guān)時(shí)間），可知充電電流與開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)間成反比。而充電電流來(lái)源于源端電源，源端電源并非理想電源，存在內(nèi)阻或線路阻抗，電流增大時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致電壓跌落。

通過(guò)改變內(nèi)阻和負(fù)載電容進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)內(nèi)阻越大、負(fù)載端電容量越大，電壓跌落越明顯。若負(fù)載需要大電容，我們可以通過(guò)調(diào)整 R1、R2、C1 的大小來(lái)調(diào)整 PMOS 開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)間，增大開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)間 t，從而降低充電電流，減小電源跌落。例如，保持電源內(nèi)阻為 100mΩ，濾波電容為 1000uF 不變，調(diào)整 gs 之間的跨接電容或 R1、R2 的值，都能觀察到電壓跌落的變化。
需要注意的是，實(shí)際電路比仿真更為復(fù)雜，除了內(nèi)阻，還存在電感等因素，同時(shí)輸入端的電容在開(kāi)通瞬間也會(huì)給負(fù)載電容提供電流，可能使最終跌落不明顯。此外，輸入源端可能有限流保護(hù)，開(kāi)通瞬間拉取電流過(guò)大可能導(dǎo)致前級(jí)過(guò)流保護(hù)，使電源被拉死，這些都需要具體情況具體分析。

2. PMOS 開(kāi)關(guān)開(kāi)啟瞬間，MOS 管燒毀
   MOS 管燒毀通常是因?yàn)槠湮垂ぷ髟?SOA 區(qū)（安全工作區(qū)），在這種場(chǎng)景下，容易出現(xiàn) MOS 管過(guò)流的情況。以仿真電路為例，PMOS 型號(hào)為 SI4425，電壓源 V2 = 20V，內(nèi)阻 = 100mΩ，負(fù)載電容 1000uF，R1 = R2 = 10k，gs 端跨接電容 100nF。仿真結(jié)果顯示，MOS 管瞬間最大電流達(dá)到了 80A +，而該 PMOS 管最大允許電流為 50A，超規(guī)格使用，存在損壞風(fēng)險(xiǎn)。

我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)外圍電阻或電容，讓 PMOS 更慢開(kāi)通，從而降低電流。例如，將 gs 間跨接電容分別調(diào)至 470nF、1uF、4.7uF，當(dāng) Cgs = 1uF 時(shí)，Ids 最大只有 40A，滿足 80% 的降額要求。同時(shí)，我們還需要結(jié)合 SOA 曲線判斷功率是否超標(biāo)。假設(shè)該 PMOS 應(yīng)用場(chǎng)景為單脈沖，通過(guò)計(jì)算可知，調(diào)整 Cgs 電容到 1uF 后，實(shí)際功率未超過(guò) PMOS 的功率限制，能工作在 SOA 區(qū)，避免損壞。在實(shí)際電路應(yīng)用中，我們一般需要測(cè)量 PMOS 開(kāi)通時(shí)的電壓和電流曲線，以此判斷是否安全。

3. PMOS 開(kāi)關(guān)由開(kāi)啟變?yōu)閿嚅_(kāi)后，輸出端 Vout 電壓出現(xiàn)回溝
   當(dāng) PMOS 斷開(kāi)時(shí)，輸出電壓 Vout 可能會(huì)出現(xiàn)先降低、后上升、再下降的回溝現(xiàn)象。這是因?yàn)?PMOS 從導(dǎo)通到關(guān)斷有一個(gè)過(guò)程，其阻抗會(huì)從接近于 0 變?yōu)闊o(wú)窮大，存在一段時(shí)間有一定阻值，而負(fù)載并非恒定電阻。在 Vout 下電過(guò)程中，負(fù)載獲得的電壓下降到一定程度，負(fù)載電路可能因欠壓突然停止工作，所需電流急劇減小，等效電阻突然變大，導(dǎo)致其獲得的分壓變大，Vout 電壓上漲。

通過(guò)仿真波形可以發(fā)現(xiàn)，回溝出現(xiàn)的時(shí)刻正是 PMOS 的 Vgs 電壓等于其 Vgsth 的時(shí)候。為了解決回溝問(wèn)題，我們可以讓 PMOS 更快關(guān)閉，例如將 PMOS 的 g 和 s 跨接的電容從 100nF 調(diào)整到 10nF，回溝基本消失。此外，在輸出端加一個(gè)濾波電容也能避免負(fù)載等效 RL 突然變大。加濾波電容后，等效負(fù)載變?yōu)樵镜?RL 和新加電容阻抗的并聯(lián)，即使原本的 RL 突然變大，總的負(fù)載阻抗也不會(huì)變得很大。仿真結(jié)果顯示，在負(fù)載端加一個(gè) 1uF 的濾波電容后，Vout 完全沒(méi)有回溝，下電波形良好。