在電子電路設(shè)計中，當使用 MCU（微控制器）制作產(chǎn)品或搭建電路時，常需通過 MCU 控制某些外設(shè)。外設(shè)可能是小電流設(shè)備，如 LED，也可能是大功率設(shè)備，像直流電機。然而，大多數(shù)初學者會發(fā)現(xiàn)，像 Arduino 或樹莓派這類設(shè)備無法直接驅(qū)動重負載。此時，就需要一個 “驅(qū)動器”，即能接受微控制器控制信號，并具備足夠功率驅(qū)動負載的電路。在很多情況下，MOSFET 是理想選擇，它可根據(jù)柵極（門極）電壓控制漏極 - 源極引腳上的更大電流。不過，有時 MOSFET 本身也需要驅(qū)動器。在探討 MOSFET 驅(qū)動器工作原理前，先來回顧一下 MOSFET 作為開關(guān)的作用。

一、MOSFET 作為開關(guān)的基本原理及類型

MOSFET 主要指增強型 MOSFET（還有耗盡型 MOSFET），有 n 溝道和 p 溝道兩種類型。n 溝道 MOSFET 需在柵極施加比源極高的電壓才能開啟，最低開啟電壓稱為閾值電壓 Vth，不同型號的 n 溝道 MOSFET 閾值電壓不同。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，Vth 在 0.4 V 至 1.0 V 之間。

圖 1 低邊 N 溝道 MOS 管開關(guān)電路

二、低邊 N 溝道 MOS 管開關(guān)電路

這種 MOSFET 可作為低邊（low - side）開關(guān)，用于簡單低壓直流應(yīng)用，放置在負載和電路地之間。例如，可使用連接到 SSM3K56FS 柵極的 5 V Arduino 輸出引腳，將源極連接到地，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 1 MΩ 電阻，可確保若來自 Arduino 的控制信號斷開，MOSFET 保持關(guān)閉。
為驗證其工作情況，使用 LTspice 進行仿真。V2 模擬來自 Arduino I/O 引腳的 5 V 輸出，R2 代替電機作為負載（忽略電阻性和感性負載差異），V1 為 15 V 電源。仿真波形顯示，當 5 V 施加到柵極時，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，導通電阻是重要參數(shù)。SSM3K56FS 的導通電阻值 RDS (ON) 取決于 VGS，如 VGS 為 1.5 V 時，RDS (ON) 為 840 mΩ；VGS 為 4.5 V 時，僅為 235 mΩ。在驅(qū)動電機時，Arduino 以 5 V 驅(qū)動柵極和樹莓派以 3.3 V 驅(qū)動柵極的差異可能不太明顯，但要注意 MOSFET 中會有功率損失，RDS (ON) 較大時，散熱需求也更大。低邊開關(guān)存在小缺點，導通時，由于負載和地之間存在 MOSFET 的導通電阻 RDS (ON)，負載（及 MOSFET 漏極引腳）電壓會略高于參考地。在示例中，導通時漏極電壓為 0.126 V，MOSFET 消耗功率約為 98 mW，在數(shù)據(jù)手冊定義的 150 mW 內(nèi)，較為安全。但如果要使用小電阻測量通過電機的電流，需進行差分測量。

三、高邊 P 溝道 MOS 管開關(guān)電路

若將 N 溝道 MOSFET 換為 P 溝道器件，可將負載放置在 MOSFET 和地之間，MOSFET 的源極連接到驅(qū)動負載的電源，負載連接到漏極。以 Toshiba SSM3J56MFV 為例，從數(shù)據(jù)手冊可知，Vth 為 - 0.3 V 至 - 1.0 V（VDS - 3.0 V 和 ID - 1 mA），這意味著柵極需比源極低約 1.0 V 才能開始導通。若使用 15 V 電源供電電機，柵極需降低到 14 V 左右，MOSFET 才能導通，這對于 Arduino 或樹莓派的 5 V 和 3.3 V I/O 引腳是個問題，需額外的 MOSFET 或晶體管將柵極拉低。

圖 2 高邊 P 溝道 MOS 管開關(guān)電路

此外，在該柵極電壓下，導通電阻約為 4000 mΩ，要將導通電阻降至最低水平的 390 mΩ，柵極電壓必須為 - 4.5 V，即便如此，仍比互補 n 溝道 MOSFET 高 155 mΩ，突顯了 p 溝道 MOSFET 相對較高的 RDS (ON) 問題。仿真顯示，導通狀態(tài)下，源極電壓達到 14.79 V，比 15 V 電源低約 0.21 V，電流約為 715 mA 時，MOSFET 的功率為 150 mW，達到器件極限。因此，盡管 p 溝道 MOSFET 更容易制造，但相同尺寸的 n 溝道 MOSFET 導通電阻更低，若可能，最好在高側(cè)使用 n 溝道器件。

四、將 N 溝道 MOS 管用作高邊開關(guān)及 MOSFET 驅(qū)動器的作用

要打開 n 溝道 MOSFET，需將柵極電壓設(shè)置在源極電壓之上。若將 n 溝道 MOSFET 放在高側(cè)，開啟時源極和漏極電壓幾乎相同，柵極需被推到高于電源電壓幾伏特的位置。這時，MOSFET 驅(qū)動器就發(fā)揮作用了。這些器件接受低電壓控制信號作為輸入，將其轉(zhuǎn)換為足以驅(qū)動柵極的較高電壓。較高電壓通過 “啟動” 電路生成，該電路利用充電泵將柵極電壓推高到電源電壓之上。雖然這會增加電路成本和復雜性，但可從 n 溝道功率 MOSFET 器件的低導通電阻、高電流能力中受益。

圖 3 MOSFET 驅(qū)動器示例
以 Analog Devices（以前是 Linear Technology）的 LTC7004 MOSFET 驅(qū)動器為例，這款 10 引腳器件僅使用九個引腳，外圍電路只需一顆電容即可工作。輸入引腳 INP 接受 CMOS 電平的輸入信號，最高可達 15 V，VCC 引腳需 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 可跟隨 MOSFET 的源電壓高達 60 V，產(chǎn)生比源極電壓高 12 V 的柵極電壓，還包括過壓和欠壓鎖定以確保正確操作。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，實現(xiàn)負載的快速和干凈導通。

五、MOSFET 開關(guān)速度及電流控制

為最小化 MOSFET 在開關(guān)過程中的損耗，通常希望盡可能快地進行開關(guān)，這在高速開關(guān)應(yīng)用（如功率轉(zhuǎn)換器）中尤為關(guān)鍵。LTC7004 可實現(xiàn)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。但快速打開 MOSFET 在某些應(yīng)用中可能引發(fā)問題，如為大容性負載供電時，開啟時的入流電流可能很大。像 LTC7400 這樣的 MOSFET 驅(qū)動器提供兩個控制柵極的引腳，一個用于打開（TGUP），一個用于關(guān)閉（TGDN），可分別定義打開和關(guān)閉速率。通過向 TGUP 輸出添加一個小的 RC 網(wǎng)絡(luò)（100 kΩ/47 nF），可減慢打開速率并限制入流電流，額外的 10 Ω 電阻有助于限制振蕩產(chǎn)生；若需調(diào)整關(guān)閉速率，可向 TGDN 路徑添加電阻。調(diào)整后，流入電容負載的浪涌電流減小到約 180 mA，負載電壓以約 2 V/ms 的速率上升。

六、MOSFET 驅(qū)動器簡化高邊開關(guān)電路

功率 MOSFET 適合微控制器（如 Arduino 和樹莓派）控制重負載。由于 n 溝道 MOSFET 整體性能更好、導通電阻更低，其選擇比 p 溝道 MOSFET 廣泛得多。若要將開關(guān)放置在控制電路的高側(cè)，n 溝道 MOSFET 柵極電壓需高于源電壓，且功率 MOSFET 需在柵極提供較大電流，以快速從關(guān)閉狀態(tài)切換到導通狀態(tài)，從而最小化功率損耗。