顯示的是用于控制同步反向拓?fù)渲?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(hù)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(fù)電壓進(jìn)行驅(qū)動。12V 輸入與 5V 輸出相比負(fù)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(fù)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(jìn)行保護(hù)。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(jìn)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(fù)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(jìn)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(jìn)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(hù)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(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 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(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 5 V Arduino 輸出引腳，將源連接到地，然后將電機(jī)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(diǎn)，我們使用 LTspice 進(jìn)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(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 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(jī)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(diǎn)。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(diǎn)。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(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(jī)，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(bǔ) 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(dá)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(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 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(dá) 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(dá) 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(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13 ns，最大上升時間為90 ns，下降時間為40 ns。

還有一點(diǎn)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(dá)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(dú)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)(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。