MOSFET驅(qū)動器的工作原理 MOSFET作為開關(guān)的作用

當我們使用 MCU（微控制器）制作產(chǎn)品或者搭建電路時，有時候希望通過 MCU 控制某些外設(shè)。外設(shè)可能是一個需要極小電流的設(shè)備，比如 LED，或者是大功率設(shè)備，比如直流電機。大多數(shù)初學者很快就會發(fā)現(xiàn)，像 Arduino 或樹莓派這樣的設(shè)備不能直接驅(qū)動重負載。在這種情況下，我們需要一個“驅(qū)動器”，也就是一個可以接受來自微控制器的控制信號，并且具有足夠功率來驅(qū)動負載的電路。在許多情況下，MOSFET 是完美的選擇，它們可以根據(jù)其柵極（門極）上的電壓來控制其漏極-源極引腳上的更大電流。然而，有時 MOSFET 本身也需要一個驅(qū)動器。在探討 MOSFET 驅(qū)動器的工作原理之前，讓我們快速回顧一下 MOSFET 作為開關(guān)的作用。

低邊 N 溝道 MOS 管開關(guān)電路

MOSFET，我們這里指的是增強型 MOSFET（還有一種叫做耗盡型 MOSFET），有兩種類型：n 溝道和 p 溝道。n 溝道 MOSFET 需要在其柵極上施加比源極上高的電壓才能打開。最低的打開電壓稱為閾值電壓，Vth。打開任何 n 溝道 MOSFET 的數(shù)據(jù)手冊，很快就會找到這個值。例如，小型高速開關(guān)器件 Toshiba SSM3K56FS 在漏極-源極電壓（VDS）為 3.0 V 且漏極電流（ID）為 1 mA 時，給出 Vth 在 0.4 V 至 1.0 V 之間。

這種 MOSFET 可以用作低邊（low-side）開關(guān)，這意味著它們在簡單的低壓直流應(yīng)用中被放置在負載和電路地之間。因此，我們可以使用一個連接到 SSM3K56FS 柵極的 5 V Arduino 輸出引腳，將源連接到地，然后將電機連接在 15 V 供電和 MOSFET 的漏極之間。在柵極和地之間放置一個電阻（1 M?）可以確保如果來自 Arduino 的控制信號斷開，MOSFET 保持關(guān)閉。

為了演示這一點，我們使用 LTspice 進行了仿真。V2 模擬了來自 Arduino I/O 引腳的 5 V 輸出，而 R2 用作負載，代替了電機（我們將忽略電阻性和感性負載之間的差異）。V1 是 15 V 電源。

從下面的仿真波形可以看到，當 5 V 應(yīng)用到柵極時，流經(jīng) MOSFET 的電流約為 720 mA，低于允許的最大值 800 mA。

在閱讀數(shù)據(jù)手冊時，導(dǎo)通電阻是一個值得注意的參數(shù)。在 SSM3K56FS 數(shù)據(jù)手冊中，可以看到導(dǎo)通電阻值 RDS(ON) 取決于 VGS。例如，在 VGS 為 1.5 V 時，RDS(ON) 為 840 m?，而在 4.5 V 時，僅為 235 m?。這里的差異，盡管不大。當驅(qū)動電機時，你不太可能注意到 Arduino 以 5 V 驅(qū)動?xùn)艠O和樹莓派以 3.3 V 驅(qū)動?xùn)艠O之間有太大的區(qū)別。

重要的是要記住這只是在較高的給定柵極電壓下才能實現(xiàn)的。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，最大允許的柵源電壓 VGS 為 ±8 V，因此有足夠的余地。這很重要，因為 MOSFET 中會有功率損失，當 RDS(ON) 較大時，它需要散熱的熱量也會更大。

低邊開關(guān)還有一個小缺點。導(dǎo)通時，由于負載和地之間存在 MOSFET 的導(dǎo)通電阻 RDS(ON)，所以負載（以及 MOSFET 漏極引腳）電壓會稍微高于參考地一點。在我們的示例中，導(dǎo)通時，漏極電壓為 0.126 V。

我們應(yīng)該注意到在 MOSFET 中消耗的功率約為 98 mW（743 mA 時為 0.133 V）。這在數(shù)據(jù)手冊定義的 150 mW 內(nèi)，非常安全。對于電機而言，這種浮地幾乎沒有什么影響。然而，如果您希望使用小電阻來測量通過電機流動的電流，您需要進行差分測量，而不是相對于地面進行測量。

高邊 P 溝道 MOS 管開關(guān)電路

如果我們將 N 溝道 MOSFET 更換為 P 溝道器件，我們可以將負載放置在MOSFET和地之間。MOSFET的源極連接到驅(qū)動負載的電源，而負載連接到漏極。與之前提到的 N 溝道MOSFET的互補器件是Toshiba SSM3J56MFV。然而，我們立刻遇到了一個問題。

從數(shù)據(jù)手冊上看，我們注意到 Vth 被給定為 -0.3 V 至 -1.0 V（對于 VDS -3.0 V 和 ID -1 mA）。這意味著柵極需要比源極低大約 1.0 V 才能開始導(dǎo)通。繼續(xù)使用我們之前的示例，使用 15 V 電源供電電機，柵極需要降低到 14 V 左右，MOSFET 才能開始導(dǎo)通。這顯然對于 Arduino 或樹莓派的 5 V 和 3.3 V I/O 引腳來說是個問題，意味著需要額外的 MOSFET 或晶體管將柵極拉低。

還有另一個問題。根據(jù)提供的數(shù)據(jù)，在這個這個柵極電壓下，導(dǎo)通電阻大約為 4000 m?。要將導(dǎo)通電阻降至其最低水平的 390 m?，柵極電壓必須為 -4.5 V。即便如此，這仍然比之前看到的互補 n 溝道 MOSFET 高 155 m?，并突顯了 p 溝道 MOSFET 的另一個問題——相對較高的 RDS(ON)。

假設(shè)有一種方法使 Arduino 將柵極電壓向下移動 -5 V，p 溝道高邊開關(guān)的響應(yīng)將如下所示：

從上圖中可以看到，在導(dǎo)通狀態(tài)下，源極電壓達到了14.79 V，比15 V電源低約0.21 V。同樣，當電流約為715 mA時，這意味著 MOSFET 的功率為 150 mW，正好達到器件的極限。

因此，盡管p溝道 MOSFET 更容易制造，但相同尺寸的 n 溝道 MOSFET 具有了更低的導(dǎo)通電阻。顯然，如果可能的話，我們最好在高側(cè)使用n溝道器件。

然而，正如我們所見，要打開n溝道MOSFET，我們需要將柵極電壓設(shè)置在源極電壓之上。如果我們將n溝道MOSFET放在高側(cè)，當它開啟時，源極和漏極幾乎具有相同的電壓，因此柵極將需要被推到高于電源電壓幾伏特的位置。

如何將 N 溝道 MOS 管用作高邊開關(guān)

這就是MOSFET驅(qū)動器派上用場的地方。這些巧妙的器件接受低電壓控制信號作為輸入，并將其轉(zhuǎn)換為較高的足以驅(qū)動?xùn)艠O的電壓。較高的電壓是使用一個“啟動”電路生成的，該電路利用充電泵將柵極電壓推高到電源電壓之上。雖然這會增加電路的額外成本和復(fù)雜性，但我們可以從可以提供低導(dǎo)通電阻、高電流能力的n溝道功率 MOSFET 器件中受益。

這種方法的一個出色示例是來自 Analog Devices（以前是 Linear Technology）的 LTC7004 MOSFET 驅(qū)動器。這款 10 引腳器件中，只有九個引腳被使用，外圍電路只需要一顆電容即可工作。輸入引腳 INP 接受 CMOS 電平的輸入信號，最高可達 15 V。VCC 引腳還需要一個 3.5 V 至 15 V 的電源。將 0.1μF 電容放置在啟動引腳 BST 和 ?TS（Top Source） 引腳 之間，LTC7004 可以跟隨 MOSFET 的源電壓高達 60 V。該器件產(chǎn)生了比源極電壓高 12 V 的柵極電壓。它還包括過壓和欠壓鎖定以確保正確的操作。

LTC7004 允許 MCU 生成所需的柵極控制電壓來控制用作高邊開關(guān)的 N 溝道MOSFET:

來自Arduino的5V I/O信號會將MOSFET的柵極電壓推高到比電源電壓高12 V，從而確保了負載的快速和干凈導(dǎo)通。

為了最小化MOSFET在開關(guān)過程中的損耗，通常最好盡可能快地進行開關(guān)。這在只偶爾打開和關(guān)閉的電路中通常不是太大的問題，但在高速開關(guān)應(yīng)用中非常關(guān)鍵，如功率轉(zhuǎn)換器（例如降壓變換器）。LTC7004 可以做到最小上升/下降時間為13 ns，最大上升時間為90 ns，下降時間為40 ns。

還有一點值得注意，那就是用于功率應(yīng)用的 MOSFET 的柵極所需的電流。在此示例中使用的 Infineon IPB039N10N3 的柵極處所觀察到的電容（稱為Ciss）可能超過8400 pF。在波形圖中開關(guān)處的放大圖中，可以看到柵極電流達到了約3.2 A的峰值。對于快速開關(guān)的功率MOSFET來說，這并不罕見，這也是為什么單獨使用微控制器來開關(guān)它們不太適合，即使在低邊開關(guān)電路中也是如此。

雖然盡可能快速地打開 MOSFET 以將其迅速從關(guān)斷狀態(tài)移至最低電阻導(dǎo)通狀態(tài)是可取的，但這也可能在某些應(yīng)用中引發(fā)問題。例如，如果 MOSFET 正在為大容性負載供電，那么開啟時的入流電流可能會很大。像 LTC7400 這樣的 MOSFET 驅(qū)動器提供了兩個控制柵極的引腳，一個用于打開（TGUP），一個用于關(guān)閉（TGDN）。這允許分別定義打開和關(guān)閉的速率。通過向TGUP輸出添加一個小的RC網(wǎng)絡(luò)（100 k?/47 nF），可以減慢打開速率并限制入流電流。額外的10 ?電阻有助于限制振蕩產(chǎn)生。如果需要調(diào)整關(guān)閉速率，可以向TGDN路徑添加電阻。

現(xiàn)在流入電容負載的浪涌電流已經(jīng)減小到約180 mA，負載電壓以約 2 V/ms的速率上升。

MOSFET 驅(qū)動器簡化了高邊開關(guān)電路

功率 MOSFET 非常適合于微控制器（如Arduino和樹莓派）控制重負載。然而，由于整體性能更好，導(dǎo)通電阻更低，n溝道MOSFET的選擇要比p溝道MOSFET廣泛得多。

如果你希望將開關(guān)放置在控制電路的高側(cè)，那么施加在 n 溝道 MOSFET 柵極上的電壓需要高于源電壓。此外，功率 MOSFET 需要在柵極上提供較大的電流，以便快速從關(guān)閉狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)，從而最小化 MOSFET中 的功率損耗。MOSFET 驅(qū)動器，例如 LTC7004，通過生成所需的柵極電壓和電流來解決這個問題，以響應(yīng) MCU 的控制信號，實現(xiàn)干凈、快速的導(dǎo)通。

　　審核編輯：湯梓紅