用单NMOS设计负载开关介绍

分立式NMOS负载开关

引言：需要通过负载开关将电路或子系统与电源断开有几个原因，一个非常简单和常见的原因是，它有助于节省电力。无电源的子系统可能不会因漏电或备用电流而消耗电力，但在便携式电子设备中负载开关还可用于防止电涌、电池插入错误和其他可能通过电源进入的损坏事件造成的损坏。

1.负载开关的类型

图2-1：NMOS和PMOS寄生模型

在深入研究关键参数之前，我们先来看看不同类型的负载开关。高压侧负载开关将电源连接或断开与负载的连接，开关由外部启用信号控制，高压侧将电源电流切换到负载。低压侧开关将负载接地或断开，从而从负载吸收电流。

负载开关可以容易地用MOSFET实现，MOSFET将电流从电源传递到负载，并通过将控制信号提供给栅极驱动电路以实现控制信号接通或断开MOSFET。

2.N沟道高侧负载开关

N沟道MOSFET具有比相同尺寸的P沟道器件更低的导通电阻值。但为了获得较低的电阻值，在使用N沟道MOSFET实现高侧负载开关时，需要高电压（过驱动）来驱动MOSFET的栅极，见 图2-2 。必须提供高于输入电压Vin的电压用于适当的栅极驱动（因为当NMOS导通时，忽略VDS压降，S点的电位和D点电位相同，均为Vin，要维持NMOS开启，必须VG-Vin＞VGSTHmax），否则MOSFET将不会完全导通。

图2-2：带高电平控制线的N沟道MOSFET高边负载开关

如果没有足够高的电压来驱动栅极，如图2-3可以使用电荷泵电路来增加施加到MOSFET栅极的驱动电压。虽然这增加了电路的复杂性，但N沟道MOSFET的导通电阻较低。但是电荷泵电路将消耗一些功率，因此在系统可能大部分时间处于待机模式的关键应用中，P通道拓扑可以更有效。

图2-3：带充电泵控制线的N沟道MOSFET高边负载开关

3.N沟道低侧负载开关

在没有高压或附加电路的情况下，N沟道MOSFET可以用于低侧负载开关。低侧负载开关的实现如图2-4所示。低侧负载开关的缺点是负载的接地电位略微升高（导通时MOS也会占据一些压降，但很小）。特别是当负载与外部组件有通信线路时，需要考虑这一点。

图2-4：N沟道MOSFET低边负载开关

4. 小结

从NMOS分别用作高边开关和低边开关的分析中可以看出，高边开关使用结构复杂，驱动条件比较苛刻，所以NMOS常用作低边开关。另外需要注意的是，NMOS电流的流向一定要和体二极管极性相反，即从D极流向S极，以此保证完全关断。

5.关键参数

负载开关的重要关键参数是连接电压输入和电压输出引脚之间的MOSFET的导通电阻RDSon、MOS管承受的最大电流IDmax以及电路能够承受的最大电压VDSmax。导通电阻越低，MOS管的功耗越低，从输入到输出的电压降越低。

虽然RDSon、IDmax和VDSmax是MOSFET的参数，但负载开关的最大压降和最大功耗可以通过以下公式计算，给定电流I：

现在的MOSFET通常具有几十mΩ的导通电阻值，因此如果负载开关具有50mΩ的接通电阻并控制200mA的负载，MOSFET在接通时仅消耗2mW，并且具有10mV的输入到输出电压降。即使峰值电流为1A，也只会导致50mV的电压降和50mW的峰值功耗。由于负载开关电路在电源接通时都是活动的，因此需要设计为具有低泄漏电流，即源极和漏极之间的泄漏电流应尽可能接近零，这个参数同样可以在datasheet中找到。

6.设计示例

设计背景：请用NMOS分别设计一个高边和低边开关，输入电压为24V，通路电流最大为10A，控制侧为MCU，控制电平为3.3V。

设计分析：相对来说低边开关比较好设计，VGSTH以GND为参数，而高边开关VGSTH以Vin为参照，G极需要施加高于24V的控制电平或者Charge Pump。

设计选型：所选NMOS需要满足VDSS＞24V，IDSS＞10A，Rdson和漏电流尽量小，驱动电平阈值VGSTH＜3.3V。这里我们选择S-LNB84025DT0AG，相关参数如下：

图2-5：S-LNB84025DT0AG最大额定参数

图2-6：S-LNB84025DT0AG正常工作参数

从选型结果来看，S-LNB84025DT0AG完全满足我们的要求，ID远大于10A，开启阈值和Rdson非常小，实际使用热损耗非常低。

设计结果：图2-7是设计的结果，对于高边设计，VGSthmax=2.5V＜HV ctrl-Vin＜VGS=20V，所以实际施加的HV范围还是比较宽的，推荐28V-30V就可以。如果系统别处有合适的HV，可以在HV与G极之间再加一道开关，实现GPIO低压控制通断，如果系统没有合适的HV，那么就需要额外加一个Charge Pump驱动。这样对比来看，***图右***NMOS低边开关就非常简单，GPIO的3.3V就可以完全驱动起来。

图2-7：图左是高边设计，图右是低边设计

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