在电子电路设计中，随着对器件控制需求的不断提升，电源开关电路的应用越来越广泛。不同的设计目的对电源开关电路有着不同的要求，如快速开通与关断、低导通电阻与大电流承载能力以及闲时零功耗等。而 MOS 管在电源开关应用中具有显著优势，下面将详细介绍几种常用的 MOS 做电源开关的电路。
　　1、NMOS 低侧电源开关
　　低侧驱动是一种简单且实用的电路方式，但并非适用于所有电路，可能会对部分电路的正常工作产生影响。由于 NMOS 和 PMOS 在原理和生产工艺上存在差异，同价格的 NMOS 在开通速度、额定电流、导通内阻等参数方面通常优于 PMOS，因此在设计中应优先考虑使用 NMOS。
　　如上图所示，这是一个使用 NMOS 的简单开关电路（低侧驱动）。CONTROL 为控制信号，电平一般在 3~12V 之间。负载的一端连接电源正极，另一端连接 NMOS 的 D（漏极）。当 CONTROL 电平为高时，Vgs 大于 NMOS 的 Vgs 导通阀值，MOS 导通，负载开始工作；当 CONTROL 电平为低时，Vgs 等于 0，MOS 关断，负载停止运行。
　　1.1、设计时注意事项
　　泄放电阻 R1：在 NMOS 的 G 极和 S 极间通常会并联一个 10K 左右的电阻，即泄放电阻，其作用是泄放 GS 极间的电荷。因为 MOS 的 GS 极间阻值非常高，一般为 M 欧以上，且 GS 间存在结电容，这使得 GS 一旦充电就很难释放。若没有泄放电阻，当 G 极通入高电平使负载工作后，将 G 极上的控制信号移除，由于结电容的存在，GS 间的电压会在导通阀值以上维持较长时间，负载仍会继续工作。而添加泄放电阻可以加快电荷泄放速度，使电路功能更加合理易用。
　　Vgs 电压范围对导通速度、导通内阻的影响：通常，TO - 220、TO - 251AA、SOP - 8、SO - 8（DFN3x3 5x5）、TO - 252、TO - 263 等封装较大的器件，其额定耐压和额定电流较大，Vgs 的允许范围一般为 ± 20V。一般来说，Vgs 的驱动电压越高，MOS 的导通电阻越小，导通速度也越快，因此在电机控制等应用中，常使用 12V 作为驱动电压。例如，从 IRLR7843 - NMOS 数据手册中可以看到，Vgs = 4.5V 和 10V 时，MOS 导通内阻存在明显差异。而 SOT - 23 封装的 MOS，其 Vgs 范围一般为 ± 12V。需要特别注意的是，切勿使 Vgs 超出手册规定的范围，否则会导致 MOS 损坏。
　　　寄生结电容、驱动电流与栅极驱动器
　　寄生结电容对开断速率的影响：MOS 的 GS 极间寄生结电容的大小会影响开断速度，电容越小，开断速度越快，响应越迅速。在选型时，应尽量选择寄生结电容小的 MOS 管，以降低开关损耗。
　　寄生结电容和驱动频率对驱动电流的需求：MOS 的 GS 极内阻非常大，对外主要表现为容性。在低频时，对电流的需求不明显，但随着频率升高，电容充放电频率加快，电容的容抗与频率成反比，容抗变小。在输入信号频率较高的情况下，驱动 MOS 需要比低频时大得多的驱动电流。当驱动电流需求大到一定程度时，MCU 端口能提供的几 mA 电流就无法满足需求。继续使用 MCU 端口直驱，一方面会使 MCU 过载，另一方面会对输出信号的波形造成衰减，严重时会影响 NMOS 的正常开通。这种情况常见于电机控制或电源转换应用中，控制信号通常为几十 KHz~ 几 M 的 PWM 波形。此时需要使用专用的 MOS 栅极驱动 IC。NMOS 的低侧驱动 IC 相对简单，内部大多为一个半桥。市面上使用较多的是高侧 + 低侧栅极驱动 IC，即 NMOS 半桥栅极驱动。而单纯的低侧栅极驱动由于较为简单，通过 NP 对管就能实现相近的效果，因此使用相对较少。
　　2、NMOS 高侧电源开关（高侧驱动，稳定、性能好）
　　NMOS 做低侧开关是通过将元件的 GND 浮空，并通过开通 GND 来控制电路负载。然而，在某些电路中，这种方式可能会导致工作异常，例如需要低侧电流采样的电机驱动电路，或者有电源完全断开需求的电路，NMOS 低侧开关就不太适用。
　　NMOS 的高侧栅极驱动一般需要搭配额外的栅极驱动芯片，主要有以下两种类型：
　　集成电荷泵的 NMOS 高侧驱动：这种芯片内部集成了电荷泵，可允许高侧 NMOS 持续开通，即允许 100% 占空比输入，性能稳定，但栅极驱动器芯片的成本略高。
　　电容浮栅自举：通过电容浮栅自举实现高侧驱动，需要输入信号为 PWM，通常只允许 99% 占空比输入，以便在空闲时间给自举电容充电。这种应用方式需要限制 PWM 信号的占空比，不能实现高侧持续导通。
　　电容浮栅自举电路原理
　　在电机控制和功率变换应用中，电容浮栅自举电路较为常用，其内部电路形式大多为高侧 + 低侧栅极驱动 IC，也称为 NMOS 半桥栅极驱动 IC。这类芯片内部集成了死区控制器，可防止半桥上下管同时开通，避免短路导致 MOS 过流损坏，也就是俗称的 “炸管”。常用型号如 IR2101、IR2104、IR2110、IR2130 等，市面上的大多数栅极驱动 IC 多以这些型号为蓝本进行设计。
　　下面以 IR2101 的手册为例，简述电容自举电路的原理：
　　当输入信号 HIN 为 0 时，高侧 MOS 关断，低侧 MOS 导通。外部高侧 NMOS 的 GS 通过内部的低侧 MOS 迅速放电，使外部高侧 MOS 关断。同时，外部低侧 MOS 导通，半桥输出电平为 0V，可近似看作自举电容的低边直接连接到 GND 上，形成自举电容的充电回路。此时，自举电容会在二极管的辅助下进行充电。
　　当输入信号 HIN 为 1 时，高侧 MOS 导通，低侧 MOS 关断。自举电容通过 Vb -> HO 路径向外部的高侧 NMOS 放电，使外部的高侧 NMOS 导通，自举电容逐渐放电，电压缓慢降低。由于 MOS 的 GS 极间内阻非常大，外部的高侧 NMOS 可以保持导通较长时间。这一过程相当于将充满电的自举电容，突然架空 GND，再瞬间转移到 Vs 和 HO 上，使外部 NMOS 的 GS 间电位与自举电容保持一致。整个过程与电荷泵倍压的原理相似，只不过这里的充放电频率与 HIN、LIN 的频率保持一致，而电荷泵倍压一般使用内置震荡源。
　　由于 HIN、LIN 输入信号为 PWM，且占空比限制为 99%，上述过程会随 PWM 周期重复进行。
　　在 IC 厂商的产品选型页，直接搜索 MOS 高侧驱动并不容易找到相关产品，这类产品一般被叫做热插拔控制器，并且额外集成了高边差分放大器，可对浪涌电流进行保护。TI 的高侧开关产品大多内部集成了 MOS，不能外接 NMOS，在电子保险丝和热插拔控制器中能找到 LM5060，但单纯的 NMOS 高侧驱动型号较少，大多是集成电流保护的热插拔控制器。ADI 有专门的热插拔控制器和高侧栅极驱动器分类，能外接 NMOS 的型号较多，如 LTC4380、ADM4210、LTC4440、LTC7000 等。随着电机控制对 FOC 需求的增加，MOS 栅极驱动器的集成度也在不断提高，像 DRV8301、DRV8305 等集成了三相半桥栅极驱动、DCDC 降压、高侧电荷泵涓流充电、多路增益可编程的差分放大器、可调死区控制器的驱动器，在产品设计中的应用越来越广泛。
　　3、PMOS 高侧电源开关（高侧驱动，稳定、简单）
　　NMOS 做高侧开关性能较好，但需要增加额外的栅极驱动 IC，会使电路变得复杂，成本也会相应提高。在除电机控制和电源转换之外的场合，如果对开通速度、导通内阻、过电流能力没有严格要求，PMOS 是做开关的较好选择。
　　近年来，随着 MOS 工艺的不断升级，虽然 PMOS 的参数仍不如 NMOS，但导通内阻小于 10m 欧的 PMOS 型号越来越多。PMOS 做高侧开关的优势是无需电荷泵驱动，简单方便，还能降低成本。
　
　　如上图所示，这是一个 PMOS 做高侧开关的电路，CONTROL 为控制信号，电平范围为 0~VCC。当 CONTROL 为 0V 时，Vgs 小于导通阀值，PMOS 开通，负载开始工作；当 CONTROL 为 VCC 时，Vgs 大于导通阀值，PMOS 关断，负载停止运行。
　　需要注意的是，输入信号 CONTROL 的低电平要确保 Vgs 能使 PMOS 开通，同时要限制 Vgs 不能小于手册上的允许电压，以避免 PMOS 损坏。然而，MCU 或其他控制器的电平一般为固定的 3.3V / 5V，而电路的 VCC 可能在较大范围内变动。如果使用 I/O 口直接驱动，可能会导致 PMOS 无法关断，并且当 VCC 较大时，还会损坏 MCU 的 I/O 口。因此，PMOS 做高侧开关时，一般会搭配一个小电流的 NMOS 或者 NPN 管来进行驱动电平转换。
　　如上图所示，NMOS - Q3 负责进行电平转换，以驱动 Q2 - PMOS 的开关。当 CONTROL 为 0 时，Q3 关断，Q2 的 G 极电平被拉高为 VCC，Q2 - PMOS 关断，负载停止运行；当 CONTROL 为 1 时，Q3 开通，Q2 的 G 极电平被拉低为 0，Q2 的 Vgs 小于导通阀值，PMOS 开通，负载开始工作。
　　但是，当 VCC 电压较高时，PMOS 开通可能会导致 Vgs 超出手册中的 Vgs 允许范围，从而损坏 PMOS。为了避免这种情况，需要在电路中添加一个稳压管和电阻，起到钳位作用，使 Vgs 不低于 - 12V，以保护 Q2 的栅极。特别需要注意的是，当 VCC 电压较高时，需要重新计算各电阻的热功耗，以确定合适的封装或更改阻值。