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。
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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。
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运放为什么要使用退耦电容呢？