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

第第頁MOSFET驅(qū)動器的工作原理MOSFET作為開關(guān)的作用當(dāng)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(jī)）。大多數(shù)初學(xué)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(fù)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(fù)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(qiáng)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ToshibaSSM3K56FS在漏極-源極電壓（VDS）為3.0V且漏極（電流）（ID）為1mA時，給出Vth在0.4V至1.0V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(fù)載和電路地之間。因此，我們可以使用一個連接到SSM3K56FS柵極的5VArduino輸出引腳，將源連接到地，然后將電機(jī)連接在15V（供電）和MOSFET的漏極之間。在柵極和地之間放置一個（電阻）（1M?）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LTs（pi）ce進(jìn)行了（仿真）。V2（模擬）了來自ArduinoI/O引腳的5V輸出，而R2用作負(fù)載，代替了電機(jī)（我們將忽略電阻性和感性負(fù)載之間的差異）。V1是15V（電源）。

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

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1.5V時，RDS(ON)為840m?，而在4.5V時，僅為235m?。這里的差異，盡管不大。當(dāng)驅(qū)動電機(jī)時，你不太可能注意到Arduino以5V驅(qū)動?xùn)艠O和樹莓派以3.3V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±8V，因此有足夠的余地。這很重要，因為MOSFET中會有功率損失，當(dāng)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(fù)載和地之間存在MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)，所以負(fù)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0.126V。

我們應(yīng)該注意到在MOSFET中消耗的功率約為98mW（743mA時為0.133V）。這在數(shù)據(jù)手冊定義的150mW內(nèi)，非常安全。對于電機(jī)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(jī)流動的電流，您需要進(jìn)行差分測量，而不是相對于地面進(jìn)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(fù)載放置在MOSFET和地之間。MOSFET的源極連接到驅(qū)動負(fù)載的電源，而負(fù)載連接到漏極。與之前提到的N溝道MOSFET的互補(bǔ)器件是ToshibaSSM3J56MFV。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-0.3V至-1.0V（對于VDS-3.0V和ID-1mA）。這意味著柵極需要比源極低大約1.0V才能開始導(dǎo)通。繼續(xù)使用我們之前的示例，使用15V電源供電電機(jī)，柵極需要降低到14V左右，MOSFET才能開始導(dǎo)通。這顯然對于Arduino或樹莓派的5V和3.3VI/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4000m?。要將導(dǎo)通電阻降至其最低水平的390m?，柵極電壓必須為-4.5V。即便如此，這仍然比之前看到的互補(bǔ)n溝道MOSFET高155m?，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-5V，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(dá)到了14.79V，比15V電源低約0.21V。同樣，當(dāng)電流約為715mA時，這意味著MOSFET的功率為150mW，正好達(dá)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(dāng)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）（Te）chnology）的LTC7004MOSFET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(dá)15V。VCC引腳還需要一個3.5V至15V的電源。將0.1μF電容放置在啟動引腳BST和

TS（TopSource）引腳之間，LTC7004可以跟隨MOSFET的源電壓高達(dá)60V。該器件產(chǎn)生了比源極電壓高12V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5VI/O信號會將MOSFET的柵極電壓推高到比電源電壓高12V，從而確保了負(fù)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(jìn)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13ns，最大上升時間為90ns，下降時間為40ns。

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InfineonIPB039N10N3的柵極處所觀察到的電容（稱為Ciss）可能超過8400pF。在波形圖中開關(guān)處的放大圖中，可以看到柵極電流達(dá)到了約3.2A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(fù)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)）（100k?/47nF），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(fù)載的浪涌電流已經(jīng)減小到約180mA，負(fù)載電壓以約2V/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(fù)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M