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

PMOS 開關(guān)電路基本原理

為了更好地理解后續(xù)的問題及解決方法，我們先來了解一下 PMOS 開關(guān)電路的基本工作原理以及各個器件的作用。當(dāng)控制信號 PWR_EN 為高電平時，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 PWR_EN 為低電平時，三極管 Q1 不導(dǎo)通，R2 下端懸空，MOS 管 M1 的柵極會被 R1 拉到與輸入電壓 Vin 相同，即 Vgs = 0，M1 處于不導(dǎo)通狀態(tài)。通過控制 PWR_EN 的高低，我們就能實(shí)現(xiàn)對 PMOS M1 導(dǎo)通和關(guān)斷的控制，這就是該電路的基本原理。

PMOS 開關(guān)電路常見問題及解決辦法

1. PMOS 開關(guān)開啟瞬間，前級電源電壓跌落或被拉死
   我們通過仿真實(shí)驗(yàn)來分析這個問題。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 開啟時，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 1000uF 的大電容，開關(guān)打開時，輸出電壓 Vout 要從 0V 上漲到 20V，電容需要從 0V 被充電到 20V。如果開關(guān)時間較短，充電電流就會很大。根據(jù)公式 I = Q /t = C * U /t（其中 C 為電容量，U 為電壓，t 為開關(guān)時間），可知充電電流與開關(guān)開通時間成反比。而充電電流來源于源端電源，源端電源并非理想電源，存在內(nèi)阻或線路阻抗，電流增大時會產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致電壓跌落。

通過改變內(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，我們可以通過調(diào)整 R1、R2、C1 的大小來調(diào)整 PMOS 開關(guān)開通時間，增大開關(guān)開通時間 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，同時輸入端的電容在開通瞬間也會給負(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)，開通瞬間拉取電流過大可能導(dǎo)致前級過流保護(hù)，使電源被拉死，這些都需要具體情況具體分析。

2. PMOS 開關(guān)開啟瞬間，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)），在這種場景下，容易出現(xiàn) MOS 管過流的情況。以仿真電路為例，PMOS 型號為 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。

我們可以通過調(diào)節(jié)外圍電阻或電容，讓 PMOS 更慢開通，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，Ids 最大只有 40A，滿足 80% 的降額要求。同時，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)用場景為單脈沖，通過計算可知，調(diào)整 Cgs 電容到 1uF 后，實(shí)際功率未超過 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，我們一般需要測量 PMOS 開通時的電壓和電流曲線，以此判斷是否安全。

3. PMOS 開關(guān)由開啟變?yōu)閿嚅_后，輸出端 Vout 電壓出現(xiàn)回溝
   當(dāng) PMOS 斷開時，輸出電壓 Vout 可能會出現(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)斷有一個過程，其阻抗會從接近于 0 變?yōu)闊o窮大，存在一段時間有一定阻值，而負(fù)載并非恒定電阻。在 Vout 下電過程中，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。

通過仿真波形可以發(fā)現(xiàn)，回溝出現(xiàn)的時刻正是 PMOS 的 Vgs 電壓等于其 Vgsth 的時候。為了解決回溝問題，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)載阻抗也不會變得很大。仿真結(jié)果顯示，在負(fù)載端加一個 1uF 的濾波電容后，Vout 完全沒有回溝，下電波形良好。