顯示的是用于控制同步反向拓撲中 Q2 傳導(dǎo)的分立器件。該電路可以讓您控制開啟柵極電流并保護整流器柵極免受高反向電壓的損壞。該電路可以用變壓器輸出端的負電壓進行驅(qū)動。12V 輸入與 5V 輸出相比負電壓值很大，從而引起 Q1 傳導(dǎo)并短路電源 FET Q2 上的柵-源電壓，迅速將其關(guān)閉。由于基極電流流經(jīng) R2，因此在加速電容 C1 上就有了一個負電壓。在此期間，一次側(cè) FET 將會發(fā)生傳導(dǎo)并在變壓器磁化電感中存儲能量。一次側(cè) FET 關(guān)閉時，變壓器輸出電壓在正電壓范圍擺動。Q2 柵-源通過 D1 和 R1 被迅速前向偏置。C1 放電時，D2 對 Q1 基極-發(fā)射極連接進行保護。在一次側(cè) FET 再次開啟之前，該電路會一直保持這種狀態(tài)。正如同步降壓轉(zhuǎn)換器那樣，輸出電流會真正地對輸出電容進行放電。開啟一次側(cè) FET 會衰減變壓器二次側(cè)上的電壓并去除 Q2 的正驅(qū)動。這種轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致明顯的貫通疊加一次側(cè) FET 和 Q2 傳導(dǎo)次數(shù)。為了最小化該次數(shù)，當(dāng)一次側(cè)和二次側(cè) FET 均開啟時，Q1 將會盡快地短路同步整流器上的柵-源。

圖1: Q1 快速關(guān)閉同步反向 FET Q2

圖 2 顯示的是用于控制同步正向轉(zhuǎn)換器中 Q1 和 Q4 傳導(dǎo)的分立驅(qū)動器。在此特殊的設(shè)計中，輸入電壓很寬泛。這就是說兩個 FET 的柵極可能會有超過其額定電壓的情況，因此就需要一個鉗位電路。當(dāng)變壓器輸出電壓為負數(shù)，該電路就會開啟 Q4。二極管 D2 和 D4 將正驅(qū)動電壓限制在 4.5V 左右。D1 和D3 將 FET 關(guān)閉， 該 FET 由變壓器和電感中的電流進行驅(qū)動。Q1 和 Q4 將反向柵極電壓鉗位到接地。在此設(shè)計中，F(xiàn)ET 具有相當(dāng)小柵極電感，因此轉(zhuǎn)換非常迅速。較大的 FET 可能需要實施一個 PNP 晶體管對變壓器繞組進行柵極電容去耦并提升開關(guān)速度。為柵極驅(qū)動轉(zhuǎn)換器 Q2 和 Q3 選擇合適的封裝至關(guān)重要，因為這些封裝會消耗轉(zhuǎn)換器中大量的電能(這是因為在 FET 柵極電容放電期間這些封裝會起到線性穩(wěn)壓器的作用)。此外，由于更高的輸出電壓，R1 和 R2 中的功耗可能也會很高。

圖2: D2 和 D4 限制了該同步正向驅(qū)動器中正柵極電壓

總之，許多具有同步整流器的電源都可以使用變壓器的繞組電壓來驅(qū)動同步整流器的柵極。寬范圍輸入或高輸出電壓需要調(diào)節(jié)電路來保護柵極。在圖 1 所示的同步反向結(jié)構(gòu)中，我們向您介紹了如何在保持快速的開關(guān)轉(zhuǎn)換的同時控制同步整流器柵極上的反向電壓。與之相類似在圖 2 的同步正向結(jié)構(gòu)中，我們向您介紹了如何限制同步整流器柵極上的正驅(qū)動電壓。

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。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 Toshiba SSM3K56FS 在漏極-源極電壓(VDS)為 3.0 V 且漏極電流(ID)為 1 mA 時，給出 Vth 在 0.4 V 至 1.0 V 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)用中被放置在負載和電路地之間。因此，我們可以使用一個連接到 SSM3K56FS 柵極的 5 V Arduino 輸出引腳，將源連接到地，然后將電機連接在 15 V 供電和 MOSFET 的漏極之間。在柵極和地之間放置一個電阻(1 M?)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 LTspice 進行了仿真。V2 模擬了來自 Arduino I/O 引腳的 5 V 輸出，而 R2 用作負載，代替了電機(我們將忽略電阻性和感性負載之間的差異)。V1 是 15 V 電源。

從下面的仿真波形可以看到，當(dāng) 5 V 應(yīng)用到柵極時，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(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 1.5 V 時，RDS(ON) 為 840 m?，而在 4.5 V 時，僅為 235 m?。這里的差異，盡管不大。當(dāng)驅(qū)動電機時，你不太可能注意到 Arduino 以 5 V 驅(qū)動?xùn)艠O和樹莓派以 3.3 V 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 ±8 V，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，由于負載和地之間存在 MOSFET 的導(dǎo)通電阻 RDS(ON)，所以負載(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 0.126 V。

我們應(yīng)該注意到在 MOSFET 中消耗的功率約為 98 mW(743 mA 時為 0.133 V)。這在數(shù)據(jù)手冊定義的 150 mW 內(nèi)，非常安全。對于電機而言，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流動的電流，您需要進行差分測量，而不是相對于地面進行測量。

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，我們可以將負載放置在MOSFET和地之間。MOSFET的源極連接到驅(qū)動負載的電源，而負載連接到漏極。與之前提到的 N 溝道MOSFET的互補器件是Toshiba SSM3J56MFV。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 -0.3 V 至 -1.0 V(對于 VDS -3.0 V 和 ID -1 mA)。這意味著柵極需要比源極低大約 1.0 V 才能開始導(dǎo)通。繼續(xù)使用我們之前的示例，使用 15 V 電源供電電機，柵極需要降低到 14 V 左右，MOSFET 才能開始導(dǎo)通。這顯然對于 Arduino 或樹莓派的 5 V 和 3.3 V I/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 4000 m?。要將導(dǎo)通電阻降至其最低水平的 390 m?，柵極電壓必須為 -4.5 V。即便如此，這仍然比之前看到的互補 n 溝道 MOSFET 高 155 m?，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 -5 V，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，源極電壓達到了14.79 V，比15 V電源低約0.21 V。同樣，當(dāng)電流約為715 mA時，這意味著 MOSFET 的功率為 150 mW，正好達到器件的極限。

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 Technology)的 LTC7004 MOSFET 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 15 V。VCC 引腳還需要一個 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 可以跟隨 MOSFET 的源電壓高達 60 V。該器件產(chǎn)生了比源極電壓高 12 V 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5V I/O信號會將MOSFET的柵極電壓推高到比電源電壓高12 V，從而確保了負載的快速和干凈導(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13 ns，最大上升時間為90 ns，下降時間為40 ns。

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 Infineon IPB039N10N3 的柵極處所觀察到的電容(稱為Ciss)可能超過8400 pF。在波形圖中開關(guān)處的放大圖中，可以看到柵極電流達到了約3.2 A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)(100 k?/47 nF)，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。