P-MOSFET浪涌电流抑制应用

有丶意思

一、前言

电源电路中物理接口插拔的地方，就有可能产生浪涌电流。下面分析单颗P-MOSFET实现浪涌电流抑制的方法，适用于电源的输入端和输出端。

这里为何用P-MOSFET而不是N-MOSFET实现，是因为P-MOSFET作为高边开关使用时的导通方法更简单、容易实现，如果使用N-MOSFET作为高边开关，就需要增加自举电路才能使其导通。

二、单颗P-MOSFET实现浪涌电流抑制

1. Single P-MOSFET负载开关电路方案A

图1 Single P-MOSFET负载开关电路方案A

图1 所示，是基于单颗P-MOSFET Q1 (AON6403) 的浪涌电流抑制电路；其中，AON6403的栅极阈值电压（Gate Threshold Voltage）VGS(th)典型值为-1.7V。当施加输入VIN且VIN > 1.7V之后，Q1就满足了开启条件，从而导通，相当于短接了VIN和VOUT。其中，C1/C2是输入电容，C4/C5是输出电容，RL1表示该电路的负载。

重点说明：
① 电容C3是并联在Q1的源极S（Source）和栅极G（Gate）直接实现软启动功能的电容，相当于是增大了Q1的栅源寄生电容Cgs。
② 电阻R1可以限制C3充电的速率，其阻值越大，Q1的源极S相对于栅极G的压差从0上升到1.7V所需的时间也越长，也就是Q1的软启动时间越长（理论上，该软启动时间大小为R1*C3），VIN到VOUT的浪涌电流也越小。
③ 当Q1完全导通后，电流是从S极流向D极。这就是该电路能够实现浪涌电流抑制的原理。

注意：
① AON6403元件漏极与源极之间的耐压值为-30V，栅极与源极之间的耐压值为±20V，所以该电路仅适用于输入电压VIN小于20V的应用场景。当输入电压VIN超过20V时，该电路就不再适用了，否则会有击穿损坏的风险。
② 图2 所示，这种使用单颗P-MOSFET组成的Load Switch电路无法实现防电流倒灌功能，当输出端电压高于输入端电压时，P-MOSFET的体二极管（body diode）或寄生二极管（parasitic diode）就构成了反向电流路径。

图2 输出端接到漏极的MOSFET无法防止反向电流

2. Single P-MOSFET负载开关电路方案B

图3 Single P-MOSFET负载开关电路方案B

图3 所示，当施加VIN之后，VIN通过P-MOSFET Q1的寄生二极管给输出电容C9/C10充电，同时也通过C8和R2路径给外部“栅源电容”（MOSFET栅极和源极之间额外增加的电容）C8充电，当Q1的源极相对于栅极电压（即C8两端的压差）从0充电到1.7V水平时，Q1栅极与源极之间的电压达到-1.7V这个开启电压，Q1就开始导通，进而将寄生二极管的电流路径旁路。当Q2完全导通后，电流从D极流向S极。
这里值得关注的是：

方案B电路除了能够实现软启动功能外，同时能够实现输入电源防反接功能。当直流（DC）输入电源正极接到VIN，直流（DC）输入电源负极（相当于GND）接到GND时，P-MOSFET的VGS压差为负的，也就是源极电压高于栅极电压，当VGS < VGS(th) 时，P-MOSFET能够导通。

当直流输入电源正极接到GND，直流输入电源负极接到VIN时，P-MOSFET的VGS压差为正的，也就是栅极电压高于源极电压，VGS始终大于零，P-MOSFET无法导通，从而达到保护后级电路不被烧坏的目的。

所以，方案B相对方案A的优点是：除软启动功能外，还具有输入电源防反接功能。

3. Single P-MOSFET负载开关电路方案C

图4 Single P-MOSFET负载开关电路方案C

图4 所示，当输入电源VIN大于AON6403元件的栅极和源极耐压值±20V，达到60V甚至100V时，可以通过增加R3电阻抬升栅极电压，使得栅极和源极之间的差值保持在20V以内。

当VIN = 60V时，忽略寄生二极管压降，可以认为VOUT = 60V，那么栅极和源极之间差值为VGS = 60V * 47k / ( 470k + 47k ) = 5.45V；

当VOUT=100V时，栅极和源极之间差值为VGS = 100V * 47k / ( 470k + 47k ) = 9.09V；可见，5.45V和9.09V都是在±20V耐压范围内的，是安全的。当Q3完全导通后，电流从S极流向D极。

所以，方案C相对方案A的优点是：适用于输入电源VIN大于VGS最大耐压20V的应用场景。

4. Single P-MOSFET负载开关电路方案D

图5 Single P-MOSFET负载开关电路方案D

图5 所示，方案D是在方案C的基础上，将Q3的S极交换到VOUT端，将D极交换到VIN端而得到。

该方案D相对方案A的优点是：

① 适用于输入电源大于VGS最大耐压20V的应用场景。

② 除软启动功能外，还具有输入电源防反接功能。也就是，同时具备了方案B和方案C的优点。

三、总结

表1 四种方案对比

① 这里需要注意的是，以上四个电路方案都不具备电流防倒灌功能。也就是说，当使用上述电路方案并联为同一个负载供电，当输入电源VIN1关断或VIN2关断时，两个负载开关仍然都处于导通状态，从而有电流倒灌到VIN2或VIN1的输出端，这可能会烧坏电压相对较低的电源电路，图7 所示。

② 方案A/C优于方案B/D的原因在于，不存在方案B/D寄生二极管可能损坏的问题。

图7 A/B/C/D方案并联都无法防止电流倒灌

③ 相关内容请看PMOS防浪涌抑制原理分析。