MOSFET驱动器的工作原理 MOSFET作为开关的作用

当我们使用 MCU（微控制器）制作产品或者搭建电路时，有时候希望通过 MCU 控制某些外设。外设可能是一个需要极小电流的设备，比如 LED，或者是大功率设备，比如直流电机。大多数初学者很快就会发现，像 Arduino 或树莓派这样的设备不能直接驱动重负载。在这种情况下，我们需要一个“驱动器”，也就是一个可以接受来自微控制器的控制信号，并且具有足够功率来驱动负载的电路。在许多情况下，MOSFET 是完美的选择，它们可以根据其栅极（门极）上的电压来控制其漏极-源极引脚上的更大电流。然而，有时 MOSFET 本身也需要一个驱动器。在探讨 MOSFET 驱动器的工作原理之前，让我们快速回顾一下 MOSFET 作为开关的作用。

低边 N 沟道 MOS 管开关电路

MOSFET，我们这里指的是增强型 MOSFET（还有一种叫做耗尽型 MOSFET），有两种类型：n 沟道和 p 沟道。n 沟道 MOSFET 需要在其栅极上施加比源极上高的电压才能打开。最低的打开电压称为阈值电压，Vth。打开任何 n 沟道 MOSFET 的数据手册，很快就会找到这个值。例如，小型高速开关器件 Toshiba SSM3K56FS 在漏极-源极电压（VDS）为 3.0 V 且漏极电流（ID）为 1 mA 时，给出 Vth 在 0.4 V 至 1.0 V 之间。

这种 MOSFET 可以用作低边（low-side）开关，这意味着它们在简单的低压直流应用中被放置在负载和电路地之间。因此，我们可以使用一个连接到 SSM3K56FS 栅极的 5 V Arduino 输出引脚，将源连接到地，然后将电机连接在 15 V 供电和 MOSFET 的漏极之间。在栅极和地之间放置一个电阻（1 MΩ）可以确保如果来自 Arduino 的控制信号断开，MOSFET 保持关闭。

为了演示这一点，我们使用 LTspice 进行了仿真。V2 模拟了来自 Arduino I/O 引脚的 5 V 输出，而 R2 用作负载，代替了电机（我们将忽略电阻性和感性负载之间的差异）。V1 是 15 V 电源。

从下面的仿真波形可以看到，当 5 V 应用到栅极时，流经 MOSFET 的电流约为 720 mA，低于允许的最大值 800 mA。

在阅读数据手册时，导通电阻是一个值得注意的参数。在 SSM3K56FS 数据手册中，可以看到导通电阻值 RDS(ON) 取决于 VGS。例如，在 VGS 为 1.5 V 时，RDS(ON) 为 840 mΩ，而在 4.5 V 时，仅为 235 mΩ。这里的差异，尽管不大。当驱动电机时，你不太可能注意到 Arduino 以 5 V 驱动栅极和树莓派以 3.3 V 驱动栅极之间有太大的区别。

重要的是要记住这只是在较高的给定栅极电压下才能实现的。根据数据手册，最大允许的栅源电压 VGS 为 ±8 V，因此有足够的余地。这很重要，因为 MOSFET 中会有功率损失，当 RDS(ON) 较大时，它需要散热的热量也会更大。

低边开关还有一个小缺点。导通时，由于负载和地之间存在 MOSFET 的导通电阻 RDS(ON)，所以负载（以及 MOSFET 漏极引脚）电压会稍微高于参考地一点。在我们的示例中，导通时，漏极电压为 0.126 V。

我们应该注意到在 MOSFET 中消耗的功率约为 98 mW（743 mA 时为 0.133 V）。这在数据手册定义的 150 mW 内，非常安全。对于电机而言，这种浮地几乎没有什么影响。然而，如果您希望使用小电阻来测量通过电机流动的电流，您需要进行差分测量，而不是相对于地面进行测量。

高边 P 沟道 MOS 管开关电路

如果我们将 N 沟道 MOSFET 更换为 P 沟道器件，我们可以将负载放置在MOSFET和地之间。MOSFET的源极连接到驱动负载的电源，而负载连接到漏极。与之前提到的 N 沟道MOSFET的互补器件是Toshiba SSM3J56MFV。然而，我们立刻遇到了一个问题。

从数据手册上看，我们注意到 Vth 被给定为 -0.3 V 至 -1.0 V（对于 VDS -3.0 V 和 ID -1 mA）。这意味着栅极需要比源极低大约 1.0 V 才能开始导通。继续使用我们之前的示例，使用 15 V 电源供电电机，栅极需要降低到 14 V 左右，MOSFET 才能开始导通。这显然对于 Arduino 或树莓派的 5 V 和 3.3 V I/O 引脚来说是个问题，意味着需要额外的 MOSFET 或晶体管将栅极拉低。

还有另一个问题。根据提供的数据，在这个这个栅极电压下，导通电阻大约为 4000 mΩ。要将导通电阻降至其最低水平的 390 mΩ，栅极电压必须为 -4.5 V。即便如此，这仍然比之前看到的互补 n 沟道 MOSFET 高 155 mΩ，并突显了 p 沟道 MOSFET 的另一个问题——相对较高的 RDS(ON)。

假设有一种方法使 Arduino 将栅极电压向下移动 -5 V，p 沟道高边开关的响应将如下所示：

从上图中可以看到，在导通状态下，源极电压达到了14.79 V，比15 V电源低约0.21 V。同样，当电流约为715 mA时，这意味着 MOSFET 的功率为 150 mW，正好达到器件的极限。

因此，尽管p沟道 MOSFET 更容易制造，但相同尺寸的 n 沟道 MOSFET 具有了更低的导通电阻。显然，如果可能的话，我们最好在高侧使用n沟道器件。

然而，正如我们所见，要打开n沟道MOSFET，我们需要将栅极电压设置在源极电压之上。如果我们将n沟道MOSFET放在高侧，当它开启时，源极和漏极几乎具有相同的电压，因此栅极将需要被推到高于电源电压几伏特的位置。

如何将 N 沟道 MOS 管用作高边开关

这就是MOSFET驱动器派上用场的地方。这些巧妙的器件接受低电压控制信号作为输入，并将其转换为较高的足以驱动栅极的电压。较高的电压是使用一个“启动”电路生成的，该电路利用充电泵将栅极电压推高到电源电压之上。虽然这会增加电路的额外成本和复杂性，但我们可以从可以提供低导通电阻、高电流能力的n沟道功率 MOSFET 器件中受益。

这种方法的一个出色示例是来自 Analog Devices（以前是 Linear Technology）的 LTC7004 MOSFET 驱动器。这款 10 引脚器件中，只有九个引脚被使用，外围电路只需要一颗电容即可工作。输入引脚 INP 接受 CMOS 电平的输入信号，最高可达 15 V。VCC 引脚还需要一个 3.5 V 至 15 V 的电源。将 0.1µF 电容放置在启动引脚 BST 和  TS（Top Source） 引脚 之间，LTC7004 可以跟随 MOSFET 的源电压高达 60 V。该器件产生了比源极电压高 12 V 的栅极电压。它还包括过压和欠压锁定以确保正确的操作。

LTC7004 允许 MCU 生成所需的栅极控制电压来控制用作高边开关的 N 沟道MOSFET:

来自Arduino的5V I/O信号会将MOSFET的栅极电压推高到比电源电压高12 V，从而确保了负载的快速和干净导通。

为了最小化MOSFET在开关过程中的损耗，通常最好尽可能快地进行开关。这在只偶尔打开和关闭的电路中通常不是太大的问题，但在高速开关应用中非常关键，如功率转换器（例如降压变换器）。LTC7004 可以做到最小上升/下降时间为13 ns，最大上升时间为90 ns，下降时间为40 ns。

还有一点值得注意，那就是用于功率应用的 MOSFET 的栅极所需的电流。在此示例中使用的 Infineon IPB039N10N3 的栅极处所观察到的电容（称为Ciss）可能超过8400 pF。在波形图中开关处的放大图中，可以看到栅极电流达到了约3.2 A的峰值。对于快速开关的功率MOSFET来说，这并不罕见，这也是为什么单独使用微控制器来开关它们不太适合，即使在低边开关电路中也是如此。

虽然尽可能快速地打开 MOSFET 以将其迅速从关断状态移至最低电阻导通状态是可取的，但这也可能在某些应用中引发问题。例如，如果 MOSFET 正在为大容性负载供电，那么开启时的入流电流可能会很大。像 LTC7400 这样的 MOSFET 驱动器提供了两个控制栅极的引脚，一个用于打开（TGUP），一个用于关闭（TGDN）。这允许分别定义打开和关闭的速率。通过向TGUP输出添加一个小的RC网络（100 kΩ/47 nF），可以减慢打开速率并限制入流电流。额外的10 Ω电阻有助于限制振荡产生。如果需要调整关闭速率，可以向TGDN路径添加电阻。

现在流入电容负载的浪涌电流已经减小到约180 mA，负载电压以约 2 V/ms的速率上升。

MOSFET 驱动器简化了高边开关电路

功率 MOSFET 非常适合于微控制器（如Arduino和树莓派）控制重负载。然而，由于整体性能更好，导通电阻更低，n沟道MOSFET的选择要比p沟道MOSFET广泛得多。

如果你希望将开关放置在控制电路的高侧，那么施加在 n 沟道 MOSFET 栅极上的电压需要高于源电压。此外，功率 MOSFET 需要在栅极上提供较大的电流，以便快速从关闭状态切换到导通状态，从而最小化 MOSFET中 的功率损耗。MOSFET 驱动器，例如 LTC7004，通过生成所需的栅极电压和电流来解决这个问题，以响应 MCU 的控制信号，实现干净、快速的导通。

　　审核编辑：汤梓红