|
我们的口号是：为中国的科普事业努力奋斗！加下我QQ吧：56943772！ 在前一节，我们对PMOS与NMOS两种增强型场效应管的开关电路作了详细的介绍， 并且还提到过一种广为流传的说法：相对于NMOS管，PMOS管的导通电阻更大、速度更慢、成本更高等，什么情况？我们还是从头说起吧！ 如果读者有一定的电子技术应用经验的话，对NMOS管开关电路的使用场合肯定是如数家珍，几乎所有的开关电源拓扑都偏向于使用NMOS管（而不是PMOS管），如正激、反激、推挽、半桥、全桥等拓扑，NMOS管的应用电路案例真心不要太多，如下图所示（当然，这些也并不全是完全独立的，比如ZCS正激推挽）：
如果让大家举个PMOS管实际应用电路，恐怕大多数读者除了下图所示的电源开关控制电路外，实在是想不出更多其它实用电路了。 我们暂且不管原因何在，但是NMOS管应用场合远比PMOS管要广泛得多，这已经是一个不争的事实，PMOS管可以做到的NMOS管同样也可以做到，真应了那句广告词：人无我有，人有我优。 我们可以看看国际整流器公司（International Rectifier,IR）官方网站的所有MOS管的分类，如下图所示： 除两个红圈所标注的内容是PMOS管外，其它都是NMOS管，并且NMOS管在电压档次上比PMOS管要细分得多，从侧面可以说明NMOS管的应用场合比PMOS要大得多（因为应用多，所以需求多，继而型号多），如果你粗略地统计一下PMOS与NMOS型号的数量，NMOS管绝对独占鳌头，这又是什么情况？ 有人说：应该是PMOS管在使用的时候控制电路太过复杂，与NMOS管的驱动比较，PMOS还需要额外的三极管，成本太高。那我们继续往下看。 如果读者对电子技术足够感兴趣且好奇心总是不一般的话，应该对降压型BUCK单片开关电源电路有一定的了解，那你自然会遇到类似下图所示的电路：（来自TI降压电源芯片LM2596数据手册）
这是我们最常用的BUCK拓扑降压芯片的典型应用电路，地球人几乎都知道，但是有些降压芯片应用电路却稍微有所不同，如下图所示：（来自TI降压电源芯片TPS54202H数据手册） 看到没有，与LM2596S芯片相比多了一个BOOST（BST）引脚，一般在该引脚与SW之间串一个小电容，这是为什么呢？ 有经验的读者可能会说：这种芯片是采用同步整流方案（关于同步整流可参考文章【开关电源（1）之BUCK变换器】，简单的说，就是用MOS管来代替续流二极管，以达到降低损耗继而提升转换效率的目的），内部是用两个NMOS管配合工作的，需要一个自举升压电路，所以才需要外接一个电容。没错！该芯片开关管结构如下图所示： 然而同步整流方案与使用NMOS管作为开关管之间没有因果关系，换言之，就算是异步整流方案，芯片也会偏向于使用NMOS管，如下图所示（来自TI降压电源芯片LM25011数据手册）： LM25011就是异步整流方案，该芯片的内部开关管的结构如下图所示（来自TI降压电源芯片LM25011数据手册）： 总之一句话：如果内部开关管使用场效应管，那大多数是NMOS管，而PMOS管几乎（大多数，不是所有）是没有使用的机会，尽管PMOS管的内心可能在呐喊着：老板，给我一次机会吧，我可以的（就像你内心想对老板呐喊一样，这种悲壮的心情你肯定是懂的，么么哒）！然而，这并没有什么用。 我们在文章《开关电源（1）之BUCK变换器》中详细介绍了降压型BUCK开关电源拓扑，并且还用下图做了一次仿真： 用PMOS管来实现开关切换功能的电路是要多简洁就有多简洁，明明一个PMOS管就能搞定的事，非得使用NMOS管还弄个稍显复杂的自举电路，就像很多明星，明明可以靠脸吃饭，偏偏要靠才能。然而，芯片厂家就是嫌弃它，你简洁怎么了？我就是不用你！你自己上思过崖面壁反省去（不是华山派令狐冲呆的那个地方）。 同样的现象也存在于BOOST变换器芯片中，BOOST单片升压芯片典型应用电路如下图所示：（来自TI升压电源芯片LM2577T数据手册） 同样，有些升压芯片多了一个BOOST/BST引脚，如下图所示（来自TI升压电源芯片TPS61178X数据手册）：
这里要说明一下：上图中芯片外围接有的PMOS管并不是必须的，因为BOOST拓扑由于其本身的特性，在芯片不工作时输出是无法关闭的（输出电压略小于输入电压），这与BUCK拓扑不同，如果需要完全关闭电压输出，必须额外添加一个PMOS管开关电路，这就是我们在文章开关介绍的PMOS管电源开关控制电路。 该芯片的内部开关管的结构如下图所示（来自TI升压电源芯片TPS61178X数据手册）：
当然，异步整流升压芯片就没必要再弄个BST引脚了，因为NMOS管已经是比较理想的架构了，我们在文章《开关电源（2）之BOOST变换器》中也是用NMOS管来仿真的，如下图所示：
PMOS管有时也纳了闷了：我招谁惹谁了我，辛辛苦苦勤勤恳恳地工作几十年，竟然没人欣赏我，不由得心生“既生瑜，何生亮”之感慨，然则原因何在？ 前面提到过，PMOS管的导通电阻比NMOS管的导通电阻要大，我们可以找外部参数尽量相同的数据手册来对比一下，如下图所示：
在相同的工艺、耐压等条件下，NMOS导通电阻为0.036W（W就是欧姆的意思，形状很像符号Ω），而PMOS导通电阻要大得多，其值为0.117Ω，当然，这并不能作为PMOS管的导通电阻比NMOS要大的直接证据，然而事实上，在相同的工艺及尺寸面积条件下，PMOS管的导通电阻确实要比NMOS管要大，这样PMOS开关管的导通损耗比NMOS要大。 将PMOS管应用场合比较少的原因归结于P沟道导通电阻更大似乎是个比较理想的答案，然而我们还是不禁要问一下：为什么PMOS管的导通电阻比NMOS要大呢？这主要是源自于导通沟道在一个特性方面的差别：电子迁移率（Electron mobility）。 我们在文章《二极管》里讲解PN结的时候，已经提到过P型半导体与N型半导体的由来，P型半导体就是在本征半导体（纯净无掺杂的）中掺入+3价的元素（如硼元素），其结构如下图的所示：
在合理的范围内掺入的杂质越多，则多数载流子空穴就更多，P型半导体的导电性也似乎将会变得更好。 相应的，N型半导体就是在本征半导体（纯净无掺杂的）中掺入+5价的元素（如磷元素），其结构如下图的所示：
同样的，在合理范围内掺入的杂质越多，则多数载流子电子就更多，N型半导体的导电性也因此似乎将会变得更好，而PMOS管或NMOS管的导通沟道就是P型或N型，这看起来两者没有太大的区别，只要控制掺入杂质的数量，就可以控制掺杂半导体的导电性，但实际上并非这么回事！因为半导体的导电性不仅与载流子（电子或空穴）浓度有关，还与载流子的迁移率（速度）有关。 我们从初中物理学就知道，导体之所以容易导电，是因为自由电子比较多，而绝缘体很难导电是因为自由电子比较少，半导体中的导电性也是类似的。 NMOS管是导电沟道是N型半导体，其多数载流子是电子，当半导体外部施加电场时，载流子电子将按下图所示的迁移：
载流子电子在由A点到F点的运动过程中，不断地与晶格原子或杂质离子发生碰撞，因此运动轨迹不是直线的，只有一个平均的迁移方向（细节可自行参考相关文档），但有一点需要注意的是：载流子电子在迁移过程中不会进入共价键中，总是在图所示的“空档”移动，这些地方没有共价键位置的束缚力，因此载流子电子的迁移率（速度）比较高。 在《半导体物理学》中，我们把自由电子存在的空间叫做导带，而把共价键所在的空间叫做价带，很明显，价带中有来自晶格原子（如硅、锗）或杂质离子（如硼、磷）的束缚力，因此价带（共价键）中的电子要跑出来就必须具备一定的能量（如光或热），而电子在导带中则不需要。 PMOS管是导电沟道是P型半导体，其多数载流子是空穴，当半导体外部施加电场时，载流子空穴将按下图所示的迁移：
空穴移动可以看作是电子的反向移动，每一次空穴移动时，都可以看成是电子从导带中跳入到价带中（填充某个空穴），再从价带中跳出来往相邻的价带中移动，很明显，空穴迁移的速度是不如电子迁移速度的，因为电子一旦跳进价带（共价键）中，就会受到共价键的束缚力，需要更多的能量激发才能跳出来。 你可以将这种迁移方式比作游泳，NMOS管相当于在水里游泳，而PMOS管相当于在油水相间的泳道中游泳，很明显，在相同的条件下，在水里游泳的速度会更快一些，如下图所示：
电子与空穴迁移率的差别表现之一在场效应管的开关速度上，我们在文章《逻辑门》中已经介绍过，CMOS反相器是由一个PMOS管与NMOS管来完成的，如下图所示：
当输入A=0时，输出Y=1，当输入A=1时，输出Y=0，由于PMOS管（上侧带圈圈的）的空穴迁移率比NMOS管的电子迁移率要小，因此，在相同的尺寸条件下，输出Y的上升速率比下降速率要慢，这样带来的结果是：开关损耗相应会比NMOS管大一些（关于“开关损耗”可参考文章【开关电源（1）之BUCK变换器】）。 当然，你可以做一个与NMOS管驱动能力相同的PMOS管，但需要的器件面积可能是NMOS管的2～3倍，这就是钱呐，而且器件面积会影响导通电阻、输入输出电容，而这些参数会影响电路的延迟。 同样，在相同的尺寸条件下，PMOS管沟道导通电阻比NMOS要大一些，这样开关导通损耗相应也会比NMOS管要大一些（关于“导通损耗”可参考文章【开关电源（1）之BUCK变换器】）。 正是因为迁移率的差别才有速度与沟道导通电阻的差别，才导致PMOS管的应用范围受到限制，这样PMOS的市场用量必然不如NMOS管，从工艺上来讲，PMOS管与NMOS管的制造并无多大不同，但市场经济的杠杆总是无处不在的，所以PMOS管比NMOS管贵很大一部分也是由市场决定的（材料成本低并不总意味着价格低），而不能简单地认为：因为PMOS管与NMOS管贵，所以应用场合少。 鉴于NMOS管的使用场合远比PMOS管要广泛，下一节我们来讨论一下NMOS管的各种驱动方式。
|
|
|
