如何将 N 沟道 MOS 管用作高边开关

显示的是用于控制同步反向拓扑中 Q2 传导的分立器件。该电路可以让您控制开启栅极电流并保护整流器栅极免受高反向电压的损坏。该电路可以用变压器输出端的负电压进行驱动。12V 输入与 5V 输出相比负电压值很大，从而引起 Q1 传导并短路电源 FET Q2 上的栅-源电压，迅速将其关闭。由于基极电流流经 R2，因此在加速电容 C1 上就有了一个负电压。在此期间，一次侧 FET 将会发生传导并在变压器磁化电感中存储能量。一次侧 FET 关闭时，变压器输出电压在正电压范围摆动。Q2 栅-源通过 D1 和 R1 被迅速前向偏置。C1 放电时，D2 对 Q1 基极-发射极连接进行保护。在一次侧 FET 再次开启之前，该电路会一直保持这种状态。正如同步降压转换器那样，输出电流会真正地对输出电容进行放电。开启一次侧 FET 会衰减变压器二次侧上的电压并去除 Q2 的正驱动。这种转换会导致明显的贯通叠加一次侧 FET 和 Q2 传导次数。为了最小化该次数，当一次侧和二次侧 FET 均开启时，Q1 将会尽快地短路同步整流器上的栅-源。

图1: Q1 快速关闭同步反向 FET Q2

图 2 显示的是用于控制同步正向转换器中 Q1 和 Q4 传导的分立驱动器。在此特殊的设计中，输入电压很宽泛。这就是说两个 FET 的栅极可能会有超过其额定电压的情况，因此就需要一个钳位电路。当变压器输出电压为负数，该电路就会开启 Q4。二极管 D2 和 D4 将正驱动电压限制在 4.5V 左右。D1 和D3 将 FET 关闭， 该 FET 由变压器和电感中的电流进行驱动。Q1 和 Q4 将反向栅极电压钳位到接地。在此设计中，FET 具有相当小栅极电感，因此转换非常迅速。较大的 FET 可能需要实施一个 PNP 晶体管对变压器绕组进行栅极电容去耦并提升开关速度。为栅极驱动转换器 Q2 和 Q3 选择合适的封装至关重要，因为这些封装会消耗转换器中大量的电能(这是因为在 FET 栅极电容放电期间这些封装会起到线性稳压器的作用)。此外，由于更高的输出电压，R1 和 R2 中的功耗可能也会很高。

图2: D2 和 D4 限制了该同步正向驱动器中正栅极电压

总之，许多具有同步整流器的电源都可以使用变压器的绕组电压来驱动同步整流器的栅极。宽范围输入或高输出电压需要调节电路来保护栅极。在图 1 所示的同步反向结构中，我们向您介绍了如何在保持快速的开关转换的同时控制同步整流器栅极上的反向电压。与之相类似在图 2 的同步正向结构中，我们向您介绍了如何限制同步整流器栅极上的正驱动电压。

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。