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大功率电路负载电流驱动中,为什么都是用NMOS并联,而不是PMOS呢?

Part 01 前言

我们都知道,MOSFET按工作模式可以分为PMOS(P沟道金属氧化物半导体)和NMOS(N沟道金属氧化物半导体)晶体管,这些晶体管由四个部分组成:源极 (S) 、漏极 (D) 、栅极 (G)和衬底(体),PMOS和NMOS 晶体管用作压控开关或放大,根据栅极电压控制源极和漏极之间的电流流动。主要区别在于负责电流流动的电荷载流子的类型:PMOS中的空穴(正电荷)和NMOS中的电子(负电荷) 。此外,两种类型的端子上施加的电压极性也不同。当栅极电压相对于源极低(或负)时,PMOS晶体管通常“导通”,而当栅极电压相对于源极高(或正)时,NMOS 晶体管“导通”。

但是如果我们留心观察一下平时的电路板,会发现NMOS的应用会更为广泛,PMOS应用的相对来说就比较少,特别是在大功率电流驱动中,清一色的都是一排排的NMOS并联,这是为什么呢?这对于硬件工程师的器件选型会带来什么影响呢?如何指导我们的电路设计呢?接下来我们就在多个维度对比一下NMOS和PMOS的区别。

Part 02 开关速度对比

NMOS多数载流子是电子,由于电子迁移率高于空穴迁移率,它们的开关速度比PMOS晶体管更快,这使得它们更适合高速开关应用。

Part 03 成本对比

PMOS晶圆的制造成本与NMOS晶圆几乎相同。但是,与NMOS相比,对于相同的导通电阻Rdson,PMOS需要更大的die,原因就是上面说的PMOS的空穴迁移率较低。因为所需的die更大,所以每个晶圆的生产出的die会更少,所以对于相同Rdson的PMOS的die成本会更高。所以对于相同Rdson的NMOS和PMOS而言,PMOS价格会更贵。当然我们这里对比的只是单个器件的成本,在一些电路应用中如果对于Rdson的要求不高,并且使用NMOS需要升压驱动(比如使用charge pump)的话,此时可能整体成本用PMOS更有优势,所以还是要具体情况具体分析。

Part 04 导通电阻Rdson对比

NMOS的电子迁移率大约是PMOS的2-3倍,这就导致了在相同的几何尺寸和电压条件下,NMOS的导通电阻约为PMOS的1/2到1/3。所以你打开各家MOSFET厂家的官网选型会发现NMOS的导通电阻能做到非常低了,但是PMOS对应的导通电阻最低的型号与NMOS导通电阻最低的型号也是差距很大,大家可以看看下面某世界一流MOS厂家NMOS与PMOS的对比,一个0.29mΩ,一个是3mΩ,差距可谓非常大。

Part 05 对比汇总

所以经过以上对比,你就明白了为啥PMOS的出场率这么低了,特别是在大电流驱动中,清一色的都是一排排的NMOS并联,原因就是我们并联MOS就是为了获取更低的Rdson,降低发热,用PMOS的效果跟NMOS并联当然是没得比。

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