如何驅(qū)動(dòng) MOSFET？MOSFET 驅(qū)動(dòng)器電路原理解析

MOSFET 功率開關(guān)是開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器里最重要的元件，如果它被集成進(jìn) IC 里，這種器件便可以被稱作轉(zhuǎn)換器；如果它被外置，能夠驅(qū)動(dòng)它的器件便可以被稱作控制器，這樣的定義并無(wú)什么標(biāo)準(zhǔn)可言，但我自己基本上就是這樣理解的。無(wú)論 MOSFET 功率開關(guān)處于集成狀態(tài)或外置狀態(tài)，它們的根本性質(zhì)并不會(huì)發(fā)生變化，所以并不需要對(duì)它們進(jìn)行區(qū)別對(duì)待，而驅(qū)動(dòng)它們的原理當(dāng)然也是完全一樣的。

要想驅(qū)動(dòng) MOSFET，首先需要對(duì) MOSFET 的元件特性有個(gè)基本的了解，下面的內(nèi)容是從百度文庫(kù)里復(fù)制來(lái)的，雖然信息的顯示不是很完整，但對(duì)我們了解電源管理領(lǐng)域常用的 MOSFET 應(yīng)該是有幫助的。

通過這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)可以知道控制 MOSFET 的柵-源電壓 VGS 便可以控制其工作狀態(tài)，所以認(rèn)為 MOSFET 是電壓控制型器件是很合理的，但這種理解又太過于簡(jiǎn)單，很容易讓我們認(rèn)為控制 MOSFET 是一件很簡(jiǎn)單的事，不需要考慮太多的問題，因?yàn)樵谝呀?jīng)有電壓源的情況下要形成一個(gè)電壓是太容易了，最簡(jiǎn)單的電阻分壓電路便可實(shí)現(xiàn)，需要計(jì)算的只是兩只電阻的比例，但要真的做起來(lái)就會(huì)遇到實(shí)際的問題：符合相應(yīng)比例的電阻值有很多，到底應(yīng)該如何取值呢？

用三維的視角觀察 MOSFET 的物理結(jié)構(gòu)，可以看到它的各個(gè)電極都是板狀結(jié)構(gòu)，所以它的各個(gè)電極之間便存在一定的電容。由于有電容的存在，設(shè)計(jì)用來(lái)驅(qū)動(dòng) MOSFET 的電路又含有電阻，RC 電路的時(shí)間特性便會(huì)在驅(qū)動(dòng) MOSFET 的過程中發(fā)生影響，使得實(shí)際的電路不可能簡(jiǎn)單地按照我們的設(shè)想發(fā)生相應(yīng)的變化。

如果進(jìn)一步觀察 MOSFET 上存在的這些電容，還能發(fā)現(xiàn)它們會(huì)隨著 MOSFET 工作狀態(tài)的不同而發(fā)生變化，因?yàn)?MOSFET 各電極及其相互之間的空間狀態(tài)在不同的工作狀態(tài)下是不一樣的，它們之間的電容也就會(huì)隨著空間狀態(tài)的不同而發(fā)生變化。以柵極與源極之間的電容 CGS（上圖中的 C1）為例，當(dāng)漏極和源極之間的溝道還沒有形成時(shí)，CGS 是比較小的，而隨著溝道的形成，柵極的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,柵極和源極間相互耦合的面積會(huì)變得越來(lái)越大，相應(yīng)地就增大了 CGS 的大小，直到溝道完全形成以后才會(huì)穩(wěn)定下來(lái)，這便是下圖中 CGS 的大小會(huì)在 Off 區(qū)和 Saturation 區(qū)有很大區(qū)別的原因。使用同樣的方法進(jìn)行分析，我們便能理解下圖中表達(dá)各個(gè)電容量的曲線是如何形成的了。

我們常見的 MOSFET 等效圖會(huì)把各個(gè)電極之間的電容畫出來(lái)，但其隨著工作狀態(tài)而發(fā)生變化的部分卻很難表達(dá)，只能依靠我們?cè)谒伎紩r(shí)再進(jìn)行動(dòng)態(tài)的模擬才能將其進(jìn)一步細(xì)化。

在以開關(guān)模式工作的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中，MOSFET 的工作狀態(tài)主要就兩種，即截止?fàn)顟B(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)，間隔在兩者之間的可變電阻狀態(tài)只是在兩個(gè)極端狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換的過程中才會(huì)出現(xiàn)?？勺冸娮锠顟B(tài)下的 MOSFET 因?yàn)榧扔?a href="http://ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流流過、又存在電阻而會(huì)形成較大的損耗，所以需要盡力縮短跨過可變電阻區(qū)的時(shí)間，這就可以推導(dǎo)出驅(qū)使 MOSFET 實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)電路的特性來(lái)：適當(dāng)高的輸出電壓擺幅，其高電平要能讓 MOSFET 充分導(dǎo)通，其低電平要能讓 MOSFET 充分截止；能輸出和吸納比較大的電流，使 MOSFET 輸入電容能得到快速的充電和放電，實(shí)現(xiàn) MOSFET 快速截止和導(dǎo)通的目的。同時(shí)我們也需要知道，驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓不能太高，給負(fù)載充放電速度也不能太快，因?yàn)橛锰叩妮敵鲭妷候?qū)動(dòng) MOSFET 就需要較多的電荷去充滿電容，需要的電流就會(huì)比較大，或者是需要更長(zhǎng)的時(shí)間，放電的過程也相應(yīng)需要更多的時(shí)間或更大的電流，造成的功率消耗也會(huì)比較大；讓開關(guān)以過快的速度進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換又會(huì)帶來(lái)比較嚴(yán)重的 EMI 問題，這樣便要求驅(qū)動(dòng)電路的能力不能太強(qiáng)。實(shí)際使用的驅(qū)動(dòng)器的能力既要很強(qiáng)，又不能太強(qiáng)，導(dǎo)致最后出來(lái)的產(chǎn)品都是根據(jù)實(shí)際的需要折中處理后的結(jié)果。

RT9624C 是與 Buck 控制器配合使用的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器，來(lái)自前級(jí)控制器的 PWM 信號(hào)經(jīng)其轉(zhuǎn)換后便成為驅(qū)動(dòng)上、下橋 MOSFET 的同步信號(hào)，輕輕松松地便實(shí)現(xiàn)了從小信號(hào)到大信號(hào)的轉(zhuǎn)換，用它實(shí)現(xiàn)大電流輸出是一件很容易的事情。RT9624C 常被使用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的主板和顯卡等場(chǎng)合，與其配合工作的主電源通?？梢蕴峁?12V、5V 和 3.3V 等輸出，被其驅(qū)動(dòng)的 MOSFET 大多具有非常低的 RDS(ON) 和大約 20V~40V 的電壓承受能力，其工作電壓范圍被定義為 4.5V~13.2V（VCC 電壓），轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍則是 5V~24V（VIN），可滿足電池供電的筆記本電腦及其他大電流應(yīng)用的需要。

RT9624C 驅(qū)動(dòng)外接 MOSFET 的電壓是隨著工作電壓的不同而不同的，如使用 12V 供電則輸出高電壓便是 12V，如使用 5V 供電則輸出高電壓便是 5V。很顯然，驅(qū)動(dòng)電壓越高則相應(yīng)的切換損耗便越大，同時(shí)其外接 MOSFET 的導(dǎo)通損耗也越小，反之亦然。所以，不同的應(yīng)用可根據(jù)自己的具體狀況選擇不同的工作電壓。

RT9624C 規(guī)格書的應(yīng)用說(shuō)明部分給出了驅(qū)動(dòng)電路工作過程的參數(shù)計(jì)算方法，下面我把它翻譯出來(lái)供讀者參考：

MOSFET 功率開關(guān)的直流輸入阻抗非常高，當(dāng) Vgs1 或 Vgs2 為 12V 或 5V 時(shí)，其柵極吸取的電流僅有 nA 級(jí)別，因此，已經(jīng)被驅(qū)動(dòng)到處于“開”的狀態(tài)的 MOSFET 的柵極電流可以被完全忽略。然而，柵極與源極之間的電容是必須被考慮到的，它在將柵極電壓快速提升到 12V 或 5V 的過程中會(huì)吸取很大的電流，這是以需要的速度實(shí)現(xiàn)漏極電流的接通時(shí)必須要做的事情。下面對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行計(jì)算。

在圖1中，Ig1 和 Ig2 是將柵極電壓從 0V 提升到 12V 需要的電流，其中包含了充入 Cgd1、Cgd2、Cgs1 和 Cgs2 的電流。Cgs1 和 Cgs2 分別是上下橋 MOSFET 的柵極和源極間的電容，一般的規(guī)格書將 Cgs1 和 Cgs2 稱為 Ciss 即輸入電容；Cgd1 和 Cgd2 分別是上下橋 MOSFET 的柵極和漏極之間的電容，一般的規(guī)格書將其稱為 Crss 即反向傳輸電容。假如 tr1 和 tr2 分別是上下橋 MOSFET 的上升時(shí)間，實(shí)現(xiàn)此上升過程需要的電流 Igs1 和 Igs2 可分別計(jì)算如下：

在將上橋 MOSFET 的柵極電壓驅(qū)動(dòng)到 12V 以前，下橋 MOSFET 必須處于關(guān)斷狀態(tài)，而上橋也必須在下橋?qū)ㄒ郧跋刃嘘P(guān)斷。在圖 1 中，體二極管 D2 會(huì)在上橋 MOSFET 導(dǎo)通以前處于導(dǎo)通狀態(tài)。

在開通下橋 MOSFET 以前，Cgd2 已經(jīng)被充電到其電壓等于 VIN，所以開通它的過程需要對(duì) Cgd2 進(jìn)行反向充電至其電壓等于 12V，相應(yīng)需要的電流為：

如果用一個(gè)實(shí)際的案例來(lái)進(jìn)行這些電流的計(jì)算應(yīng)該是很有意義的，下面就假設(shè)有一個(gè)實(shí)際的同步整流 Buck 轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓 VIN=12V，Vgs1=12V，Vgs2=12V；上橋 MOSFET 的型號(hào)為 PHB83N03LT，其 Ciss=1660pF，Crss=380pF，上升時(shí)間 tr=14ns；下橋 MOSFET 的型號(hào)為 PHB95N03LT，其 Ciss=2200pF，Crss=500pF，tr=30ns。利用公式（1）和（2）可得：

使用類似的方法，我們可以計(jì)算出將上下橋開關(guān)從導(dǎo)通狀態(tài)切換至截止?fàn)顟B(tài)時(shí)需要從柵極吸出的電流的大小。

有了這樣通過理論分析得到的計(jì)算公式和通過實(shí)際案例得到的計(jì)算數(shù)據(jù)，我們便能比較容易地理解 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的器件指標(biāo)，下面便是 RT9624C 的規(guī)格書里列出來(lái)的輸出級(jí)參數(shù)

其中列出的是每個(gè)輸出端分別在電流吐、納狀態(tài)下的阻抗數(shù)據(jù)，我們可以把它們分別看成是串聯(lián)在電源端、地端和輸出端之間的可控電阻，而其實(shí)際的構(gòu)成則應(yīng)該是可控的 MOSFET 器件，我們只能通過某種測(cè)量方式來(lái)對(duì)其參數(shù)進(jìn)行衡量，而進(jìn)行這種測(cè)量的參數(shù)已經(jīng)在表格中最寬的那一欄里列了出來(lái)。

如果你看到的能夠驅(qū)動(dòng)外接 MOSFET 的器件足夠多，你可能能看到更多的驅(qū)動(dòng)器參數(shù)表達(dá)方式，像下表所示的便是立锜另一款器件里的表達(dá)方式：

不同的表達(dá)方式便有不同的參數(shù)，它們雖然顯得很不一樣，但總是離不開那些最基本的原理的限制，只要有心便可以對(duì)它們有一個(gè)基本的理解，從而滿足自己的好奇心的需求。

編輯：hfy