MOS管（三極管）—一些常用的硬件設計電路分析

1. 概述

芯片的集成度雖然越來越高，但是整個電路功能的實現，還是離不開分離器件的搭配，本文就針對筆者在實際工作中的關于 MOS 管（三極管）的應用做一些整理。

本文所介紹的功能，使用三極管也是可以的，但是實際應用中，多使用 MOS 管，故本文多以 MOS 管進行說明。

2. 應用

2.1 NMOS 開關控制

如圖，通過 NMOS 的開關作用，完成對 LED 的亮滅控制。此時 MOS 管工作于截止區和可變電阻區。

對于 NMOS ，當 Vgs = Vg - Vs > 0 時，NMOS 導通；當 Vgs = Vg - Vs < 0 時，NMOS 斷開。

2.2 PMOS 電源控制

2.2.1 IO 控制

PMOS 在整個電路系統中，其中某一部分的電路上電通過控制中可以方便用于通斷控制。 上圖的電路中，使用時需要注意的一點是 VCC_IN 與控制端的電平 PWR_CON 要處于同一標準（eg：VCC_IN = 3.3V；PWR_CON 高電平 = 3.3V） 。

對于 PMOS ，當 Vgs = Vg - Vs < 0 時，PMOS 導通；當 Vgs = Vg - Vs > 0 時，PMOS 斷開。

因為 MOS 管的導通壓降是非常小的，所以在 Rds 之上的能量損耗是比較少的。

2.2.2 NMOS 控制 PMOS

進一步地，上圖的電路可以擴展為下圖，PMOS 的柵極通過 NMOS 來控制。

拓展為此電路，針對 VCC_IN 與 PWR_CON 電壓就沒有強制的要求了。當 PWR_CON 為高電平的時候，NMOS 導通，PMOS 的柵極被拉低到低電平，PMOS 導通，VCC_OUT 有電壓輸出；反之，當 PWR_CON 為低電平時，NMOS 關斷，從而使 PMOS 也斷開，這樣就完成了 VCC_IN 輸出電壓到 VCC_OUT 的控制。#### 2.2.3 按鍵上電控制

上圖的電路，就可以完成所謂的按鍵開機的功能。

（1）按下 K1 按鍵，PMOS 的柵極被拉低，Vgs < 0，PMOS 導通，VCC_OUT 有電壓輸出；

（2）VCC_OUT 有電壓輸出，按鍵按下時可完成對 MCU 的供電，然后軟件端通過 MCU 的 GPIO 進而控制 NMOS 的柵極，即 PWR_CON 。先通過 KEY_DET 檢測到按鍵動作，然后把 PWR_CON 設置為高電平，NMOS 導通，使得 PMOS 也導通，這時候抬起按鍵，VCC_OUT 一端也有電壓穩定輸出，就實現了按鍵上電開機的功能。

此電路的二極管，功能是防止電壓反竄和對MCU 的 GPIO 的保護。

功能流程：

2.3 反相（非門邏輯）

如果電路中需要實現邏輯非的功能，可以采用 MOS 管（三極管）加上電阻來實現，如下圖所示：

通過一個 MOS 管（三極管）加上兩個電阻，就可以實現非門的邏輯。

具體的應用可參考本文：再學 SPI ——（一）SPI片選信號

2.4 電池防反接功能

在大多數的電池防反接電路中，常選擇壓降小的二極管（如：肖特基二極管）來完成，但是針對如 3.7V 鋰電池的應用場景，肖特基約為 0.2V 的壓降天然的造成了電池容量的浪費，而 MOS 管導通的低壓降（Vds）就有很大的優勢了。

如上圖所示，PMOS 在此處的作用就是防止 VBUS 存在時，LDO Vin 端的電壓反竄到電池上。

原理分析：

（1）當 USB VBUS 存在時，PMOS 的柵極電壓 Vg = 5V，源極電壓 Vs = 3.7V（假設此時的電池電壓為 3.7V），Vgs = 5 - 3.7 = 1.3V（大于0），此時 PMOS 關斷，就起到了防止 Vin 端電壓反竄的作用；

（2）當 USB VBUS 不存在時，PMOS 的柵極通過 10K 的電阻下拉到 GND，因此柵極電壓 Vg = 0V，源極電壓 Vs = 3.7V（假設此時的電池電壓為 3.7V），電池通過 PMOS 自身的寄生二極管使得 Vs = 3.7V，所以 PMOS 的導通電壓 Vgs = 0 - 3.7 = -3.7V，PMOS 導通，這樣就完成了電池電壓到 Vin 端的輸入。

上圖的 LDO 電路，只要使能端 LDO_CON 給一個開啟信號，輸出端 V_3V3 就可以穩定輸出 3.3V，C3、C4 為 LDO 的輸入輸出電容，一般大于 1uF（具體參考數據手冊取值）。

具體的應用可參考本文：電源防反接小結