在电子电路设计中，当使用 MCU（微控制器）制作产品或搭建电路时，常需通过 MCU 控制某些外设。外设可能是小电流设备，如 LED，也可能是大功率设备，像直流电机。然而，大多数初学者会发现，像 Arduino 或树莓派这类设备无法直接驱动重负载。此时，就需要一个 “驱动器”，即能接受微控制器控制信号，并具备足够功率驱动负载的电路。在很多情况下，MOSFET 是理想选择，它可根据栅极（门极）电压控制漏极 - 源极引脚上的更大电流。不过，有时 MOSFET 本身也需要驱动器。在探讨 MOSFET 驱动器工作原理前，先来回顾一下 MOSFET 作为开关的作用。

一、MOSFET 作为开关的基本原理及类型

MOSFET 主要指增强型 MOSFET（还有耗尽型 MOSFET），有 n 沟道和 p 沟道两种类型。n 沟道 MOSFET 需在栅极施加比源极高的电压才能开启，开启电压称为阈值电压 Vth，不同型号的 n 沟道 MOSFET 阈值电压不同。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，Vth 在 0.4 V 至 1.0 V 之间。

图 1 低边 N 沟道 MOS 管开关电路

二、低边 N 沟道 MOS 管开关电路

这种 MOSFET 可作为低边（low - side）开关，用于简单低压直流应用，放置在负载和电路地之间。例如，可使用连接到 SSM3K56FS 栅极的 5 V Arduino 输出引脚，将源极连接到地，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 1 MΩ 电阻，可确保若来自 Arduino 的控制信号断开，MOSFET 保持关闭。
为验证其工作情况，使用 LTspice 进行仿真。V2 模拟来自 Arduino I/O 引脚的 5 V 输出，R2 代替电机作为负载（忽略电阻性和感性负载差异），V1 为 15 V 电源。仿真波形显示，当 5 V 施加到栅极时，流经 MOSFET 的电流约为 720 mA，低于允许的值 800 mA。
在阅读数据手册时，导通电阻是重要参数。SSM3K56FS 的导通电阻值 RDS (ON) 取决于 VGS，如 VGS 为 1.5 V 时，RDS (ON) 为 840 mΩ；VGS 为 4.5 V 时，仅为 235 mΩ。在驱动电机时，Arduino 以 5 V 驱动栅极和树莓派以 3.3 V 驱动栅极的差异可能不太明显，但要注意 MOSFET 中会有功率损失，RDS (ON) 较大时，散热需求也更大。低边开关存在小缺点，导通时，由于负载和地之间存在 MOSFET 的导通电阻 RDS (ON)，负载（及 MOSFET 漏极引脚）电压会略高于参考地。在示例中，导通时漏极电压为 0.126 V，MOSFET 消耗功率约为 98 mW，在数据手册定义的 150 mW 内，较为安全。但如果要使用小电阻测量通过电机的电流，需进行差分测量。

三、高边 P 沟道 MOS 管开关电路

若将 N 沟道 MOSFET 换为 P 沟道器件，可将负载放置在 MOSFET 和地之间，MOSFET 的源极连接到驱动负载的电源，负载连接到漏极。以 Toshiba SSM3J56MFV 为例，从数据手册可知，Vth 为 - 0.3 V 至 - 1.0 V（VDS - 3.0 V 和 ID - 1 mA），这意味着栅极需比源极低约 1.0 V 才能开始导通。若使用 15 V 电源供电电机，栅极需降低到 14 V 左右，MOSFET 才能导通，这对于 Arduino 或树莓派的 5 V 和 3.3 V I/O 引脚是个问题，需额外的 MOSFET 或晶体管将栅极拉低。

图 2 高边 P 沟道 MOS 管开关电路

此外，在该栅极电压下，导通电阻约为 4000 mΩ，要将导通电阻降至水平的 390 mΩ，栅极电压必须为 - 4.5 V，即便如此，仍比互补 n 沟道 MOSFET 高 155 mΩ，突显了 p 沟道 MOSFET 相对较高的 RDS (ON) 问题。仿真显示，导通状态下，源极电压达到 14.79 V，比 15 V 电源低约 0.21 V，电流约为 715 mA 时，MOSFET 的功率为 150 mW，达到器件极限。因此，尽管 p 沟道 MOSFET 更容易制造，但相同尺寸的 n 沟道 MOSFET 导通电阻更低，若可能，在高侧使用 n 沟道器件。

四、将 N 沟道 MOS 管用作高边开关及 MOSFET 驱动器的作用

要打开 n 沟道 MOSFET，需将栅极电压设置在源极电压之上。若将 n 沟道 MOSFET 放在高侧，开启时源极和漏极电压几乎相同，栅极需被推到高于电源电压几伏特的位置。这时，MOSFET 驱动器就发挥作用了。这些器件接受低电压控制信号作为输入，将其转换为足以驱动栅极的较高电压。较高电压通过 “启动” 电路生成，该电路利用充电泵将栅极电压推高到电源电压之上。虽然这会增加电路成本和复杂性，但可从 n 沟道功率 MOSFET 器件的低导通电阻、高电流能力中受益。

图 3 MOSFET 驱动器示例
以 Analog Devices（以前是 Linear Technology）的 LTC7004 MOSFET 驱动器为例，这款 10 引脚器件仅使用九个引脚，外围电路只需一颗电容即可工作。输入引脚 INP 接受 CMOS 电平的输入信号，可达 15 V，VCC 引脚需 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 可跟随 MOSFET 的源电压高达 60 V，产生比源极电压高 12 V 的栅极电压，还包括过压和欠压锁定以确保正确操作。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，实现负载的快速和干净导通。

五、MOSFET 开关速度及电流控制

为化 MOSFET 在开关过程中的损耗，通常希望尽可能快地进行开关，这在高速开关应用（如功率转换器）中尤为关键。LTC7004 可实现上升 / 下降时间为 13 ns，上升时间为 90 ns，下降时间为 40 ns。但快速打开 MOSFET 在某些应用中可能引发问题，如为大容性负载供电时，开启时的入流电流可能很大。像 LTC7400 这样的 MOSFET 驱动器提供两个控制栅极的引脚，一个用于打开（TGUP），一个用于关闭（TGDN），可分别定义打开和关闭速率。通过向 TGUP 输出添加一个小的 RC 网络（100 kΩ/47 nF），可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；若需调整关闭速率，可向 TGDN 路径添加电阻。调整后，流入电容负载的浪涌电流减小到约 180 mA，负载电压以约 2 V/ms 的速率上升。

六、MOSFET 驱动器简化高边开关电路

功率 MOSFET 适合微控制器（如 Arduino 和树莓派）控制重负载。由于 n 沟道 MOSFET 整体性能更好、导通电阻更低，其选择比 p 沟道 MOSFET 广泛得多。若要将开关放置在控制电路的高侧，n 沟道 MOSFET 栅极电压需高于源电压，且功率 MOSFET 需在栅极提供较大电流，以快速从关闭状态切换到导通状态，从而化功率损耗。