在电子电路设计领域，PMOS 开关电路是硬件工程师常用的电路结构，尤其是在电源控制方面应用广泛。然而，看似简单的电路，在实际应用中却可能出现一些棘手的问题。本文将深入分析 PMOS 开关电路 3 个常见的问题，并提供相应的解决办法。
作为硬件工程师，在设计各类产品时，常常会用到类似下图的 PMOS 开关电路，且多用于电源控制。
这个电路虽然看似简单，但在实际应用中，稍不留意就可能出现以下几个问题：
- PMOS 开关开启的一瞬间，前级电源电压跌落，或者直接被拉死。
- PMOS 开关开启的一瞬间，MOS 管冲击电流太大，导致 MOS 管损坏。
- PMOS 开关由开启变为断开时，输出端 Vout 电压先降低，后上升，然后再下降，即下电波形出现回沟。
下面我们将详细说明这些问题的产生原因以及解决办法。
为了帮助刚入门的同学更好地理解，我们先来解释一下电路的工作原理以及各个器件的作用。
当控制信号 PWR_EN 为高时，三极管 Q1 导通，R2 下端等于接 GND。由于 R1 和 R2 的分压作用，MOS 管 M1 的 Vgs 会有压差 Vgs = -Vin * R1 / (R1 + R2)，即 M1 终会导通。当控制信号 PWR_EN 为低时，三极管 Q1 不导通，那么 R2 下端相当于悬空。那么 MOS 管 M1 的栅极会被 R1 拉到和输入电压 Vin 一样，即 Vgs = 0，那么 M1 终状态会是不导通。所以，通过控制 PWR_EN 的高低，就能够控制 PMOS M1 的导通和关断，这就是这个电路的基本原理。
再来看下每个器件的作用。
- PMOS 开关开启的一瞬间，前级电源电压跌落，或者直接被拉死
我们对这个电路进行仿真，加上输入 20V 电压，电源内阻 100mΩ，负载 10Ω，负载滤波电容 1000uF，PMOS 开通的瞬间 Vin 波形如下图（实验 1）：
可以看到，输入端 Vin 电源 20V，在 PMOS 开启的时候，瞬间被拉到了 11.8V。这是因为 Vout 网络接了一个很大的电容 1000uF，开关打开时，输出电压 Vout 从 0V 要上涨到 20V，这个电容就要从 0V 被充电到 20V。如果开关的时间比较短，充电的电流就会比较大。根据电容充电公式 Q = C * U，平均充电电流 I = Q /t = C * U /t，电容量 C 为 1000uF，电压 U = 20V，所以充电电流 I = 1000uF * 20V /t 就反比于开关的开通时间。
充电电流大导致输入电压跌落的原因是，这个充电电流来源于源端，而实际的源端电源并非理想电源，总会有内阻或线路阻抗，电流一大，必然会有压降，从而造成电压跌落。在仿真时，给电压源 V2 设定的内阻为 100mΩ，就是为了模拟真实场景。如果不设定内阻，电源源 V2 是理想电压源，就看不到电源跌落的情况。而且，内阻越大，电压跌落越严重。
我们将内阻 Rser 从 50mΩ、100mΩ、200mΩ、500mΩ 做对比，一起看看跌落的情况。如下图（实验 2），可以看到，50mΩ 时，电压 Vin 只跌落到了 15V 左右，没有像 100mΩ 时跌到了 11.8V 这么多，而 500mΩ 时电压已经跌落到了 6V 左右。
负载端电容量越大，越容易发生电源跌落的情况。但有时负载确实需要较大的电容，这时可以调整开关的速度。通过调整 R1、R2、C1 的大小，来调整 PMOS 开关开通的时间。根据公式 I = Q /t = C * U /t，如果负载电容 C 固定，电压 U 也确定，增大开关的开通时间 t，就能降低充电电流的大小，终让电源跌落更小。
我们保持电源内阻为 100mΩ，滤波电容为 1000uF 不变，R1、R2 保持 10K 不变。然后让开关 MOS 的 gs 之间的跨接电容分别为 100nF、470nF、1uF、4.7uF，对比波形如下图（实验 4）：
可以看到，100nF 时跌落多，跌到了 11.8V，而 4.7uF 的时候，跌落是的。另外，从下冲的宽度来看，100nF 时宽度，说明此时开通速度快。
我们保持电源内阻为 100mΩ，滤波电容为 1000uF 不变，gs 跨接电容为 100nF 不变，单独调整下 R1 和 R2，让其分别等于 10K、47K、100k、470k，看下效果，仿真如下图（实验 5）：
可以看到，效果和调节 gs 之间的电容差不多，在电阻调整到 470k 之后，输入端电压跌落已经比较小了。
需要注意的是，以上只是为了简单说明道理，实际电路应用过程中要更为复杂。实际电路中不仅有内阻，还有电感，这些都会造成输入端有压降。同时，输入端也会有电容，开通瞬间，输入端的电容也会给负载电容提供电流，终跌落可能也不明显。有时，输入源端可能有限流保护，如果开通瞬间拉取电流过大，那么会造成前级过流保护，导致电源被拉死，这些都需要具体情况具体分析。
- PMOS 开关开启的一瞬间，PMOS 烧毁
提到 MOS 烧毁，一般是因为其非工作在 SOA 区（安全工作区，Safe operating area）。在这个场景下，容易出现的就是 MOS 管过流了。我们以上面的仿真电路为例子，看下导通时 MOS 管的电流情况。
仿真条件：PMOS 型号为 SI4425，电压源 V2 = 20V，内阻 = 100mΩ，负载电容 1000uF，R1 = R2 = 10k，gs 端跨接电容 100nF。
可以看到，MOS 管瞬间电流已经达到了 80A+，这个电流太大了，MOS 管有风险。查看使用 PMOS 管 SI4425 的手册，可以看到，其允许的电流是 50A。
从其 SOA 曲线上也能看出，此时这个 PMOS 超规格使用了，并没有工作在 SOA 区间，是可能会损坏的。
那怎么办呢？选更高电流的 PMOS 是一个可选的方案，但电流更高的 PMOS 价格肯定会更高。此时可以调节外围电阻或是电容，让 PMOS 更慢开通，这样可以将电流降下来。
按照前面说的，我们可以调整 R1、R2、C2（gs 间跨接电容）达到这个目的。我们将 gs 间跨接电容分别调至 470nF、1uF、4.7uF，对比看看电流的情况，如下图（实验 7）。
可以看到，在 Cgs = 1uF 的时候，此时 Ids 只有 40A，而 PMOS SI4425 瞬间电流可以过 50A，仅从电流 Ids 来考虑，是 OK 的，并且满足 80% 的降额（50A * 0.8 = 40A）。
假如我们选定 Cgs = 1uF，还需要看下此时的功率是否有超标（结合 SOA 曲线看）。从曲线上看，MOS 管开通时间约为 1ms，这期间功率约为 280W
假设这个 PMOS 应用场景是单脉冲（即非周期性开通，只是偶尔开通），从手册看到其 1ms 时归一化热阻系数 r (t) = 0.007。
芯片正常热阻是 Rja = 50℃ / W，结温是 150℃，假设环境温度是 25℃，那么其 1ms 能抗的瞬间功率是：Pmax = {(150℃ - 25℃) / Rja} /r (t) = 357W
即 PMOS SI4425 在 1ms 瞬间能扛的功率是 357W，而将 Cgs 电容调整到了 1uF 之后，实际功率是 280W，因此并没有超过 PMOS 的功率限制，也即是说其工作在了 SOA 区，是 OK 的。
综上所述，在 Cgs 是 100nF 的时候，PMOS 没有工作在 SOA 区，而我们调整 Cgs 电容到 1uF 之后，PMOS 就能工作在 SOA 区，因此就不会出现损坏的问题了。
以上是从仿真的角度看 PMOS 有没有损坏的风险。实际在我们电路应用中，对于这种功率 PMOS 做开关，我们一般也是要去测量 PMOS 开通时的电压和电流曲线，以此来判断是否是安全的。
- PMOS 开关由开启变为断开后，输出端 Vout 电压先降低，后上升，然后再下降，即下电波形出现回沟
先看下这是个什么现象，如下图，在 PMOS 断开的时候，输出电压 Vout 出现回沟。
相对于前面的 PMOS 开关仿真电路，其实没有差异，仅仅是将负载换成了一个开关电路而已。那为什么改变了负载之后，Vout 的下电波形就不正常了呢？遇到这种情况我们该如何调整呢？
原因其实也不难理解，就是 PMOS 从导通到关断，总有一个过程，PMOS 的阻抗会从接近于 0（导通）到电阻无穷大（断开），也就是说存在一段时间，PMOS 的会有一定的阻值，而负载也非恒定电阻。在 Vout 下电过程中，负载获得的电压下降到一定程度，负载电路可能因为欠压突然停止工作，其所需电流急剧减小，即其等效电阻突然变大，那么会导致其获得的分压变大，这个时候就会出现上面的情况，Vout 电压又涨上去了。
关键词：PMOS 开关
