如何用单PMOS设计分立式负载开关？

★★★ SCD-3---分立式PMOS负载开关 ★★★

引言：上节讲到了NMOS用作负载开关，结论是NMOS更适合做低边开关，但在实际使用过程中，高边开关的使用场景大大多于低边场景，可以这么说，一个板级系统，80%都使用的高边开关而不是低边。所以本节就分析PMOS用作高边负载开关天生的优势以及设计方法。

€1.负载开关的类型

图3-1：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。高压侧负载开关将负载与电源连接或断开，由外部启用信号控制开关将高压侧电源电流切换到负载。而低压侧开关将负载与地连接或断开，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，并通过控制信号接通或断开。将控制信号提供给MOSFET的栅极驱动电路以接通或断开MOSFET。

€2.P沟道高侧负载开关

使用P沟道MOSFET，通过将输入电压连接到MOSFET源极，将负载连接到MOSFET漏极，可以实现高侧负载开关，见 图3-2， 将栅极拉低将使电流流入负载Rload。

图3-2：增强型P-ch MOS高边负载开关

€3.P沟道高侧负载开关

如果使用PMOS设计低边开关，那么导通时S极就几乎是GND电平，在需要PMOS关断的状态下，G极电位可以是0电平甚至是正电平，但是需要PMOS导通时，G极电位就必须是负电平，这样的设计更加复杂，所以不会使用PMOS做低边开关。

€4.关键参数

负载开关的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是动态的，因此设计时需要满足低泄漏电流，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。

**** €5. 设计示例

*设计背景：*请用PMOS设计一个高边开关，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：*VGSTH以Vin为参照，G极需要施加接近或等于或高于24V的控制电平。

*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LRC的LP73035DT1WG，相关参数如下：

图3-3：LP73035DT1WG最大额定参数

图3-4：LP73035DT1WG正常工作参数

从选型结果来看，LP73035DT1WG完全满足我们的要求，ID远大于10A，开启阈值（-1V~-2.5V）和Rdson（8mΩ）非常小，实际使用热损耗非常低。

*设计结果：*图3-5是设计的结果，当三极管导通时，24V经过R1和R2分压，R2一般特别小甚至没有，那么24V就全落在R1上，此时G极电平就近似等于Vin=24V，VGS=0V＞-1V，PMOS关闭，当三极管不导通时，PMOS的S极和G极之间电位差近似等于Vin，VGS=-24V＜-2.5V，PMOS打开。需要注意的是规格书中VGS的极限值是±25V，-24V其实比较接近，有一定风险，可以选VGS更大一些的PMOS型号。

图3-5：PMOS高边开关驱动设计

另外，三极管我们都选择过驱动方式，所以R3值选的比较小，使基极电流Ib比较大，不用担心导通时干路电流比较大，因为R1=1MΩ已经将电流限制的非常小了。