來源：硬件驛站

在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，經(jīng)常會(huì)用到MOS管做開關(guān)電路，而在驅(qū)動(dòng)一些大功率負(fù)載時(shí)，主控芯片并不會(huì)直接驅(qū)動(dòng)大功率MOS管，而是在MCU和大功率MOS管之間加入柵極驅(qū)動(dòng)器芯片。

柵極驅(qū)動(dòng)器芯片是連接低壓控制器與高功率電路的橋梁，通過放大控制信號(hào)并提供瞬態(tài)拉/灌電流，實(shí)現(xiàn)功率器件(如MOSFET、IGBT、SiC MOSFET等)的快速導(dǎo)通與關(guān)斷，降低開關(guān)損耗并提升系統(tǒng)效率。

本文將探討如下幾個(gè)問題，看看大家是如何理解的。

1、MOS管有哪些分類，各分類有什么差異。

2、為什么大功率的MOS管很少有PMOS。

3、MCU為什么不能驅(qū)動(dòng)大功率MOS，如果硬要直接驅(qū)動(dòng)，有什么問題。

4、柵極驅(qū)動(dòng)芯片為什么能夠驅(qū)動(dòng)功率MOS管。

下面分別說明。

1、MOS管有哪些分類，各分類有什么差異。

要了解這些知識(shí)，最好的辦法就是上專業(yè)廠家網(wǎng)站。

通過下面的鏈接，可以看到安世公司的MOSFET型號(hào)。

一共分了4個(gè)類別：

Automotive MOSFETs

Power MOSFETs

Small signal MOSFETs

Application Specific MOSFETs

因?yàn)楸疚氖怯懻揗OS的驅(qū)動(dòng)能力相關(guān)的技術(shù)問題，這里只重點(diǎn)對(duì)比Power MOSFETs和Small signal MOSFETs這兩個(gè)類別的器件。

先看小信號(hào)MOSFETs有些什么特點(diǎn)。

此類別共有211個(gè)N管，116個(gè)P管，12個(gè)N+P管。

這211個(gè)NMOS管，統(tǒng)計(jì)Ciss和RDSon范圍如下：

輸入電容Ciss的范圍：9~2195pF

導(dǎo)通電阻RDSon的范圍：4.9~3800mΩ（[typ] @ VGS = 4.5 V）

對(duì)比如下圖：

總體來說，隨著RDSon變小，Ciss逐漸增大。

MOS管的極間電容和手冊(cè)所看到的Ciss,Coss,Crss關(guān)系如下：

我們?cè)倏垂β蔒OS管。

此類別共有311個(gè)N管，14個(gè)P管。

輸入電容Ciss的范圍：350pF~18409pF

導(dǎo)通電阻RDSon的范圍：0.65~60.6 mΩ（[typ] @ VGS = 4.5 V）

和小信號(hào)MOS一樣，隨著RDSon變小，Ciss逐漸增大。同時(shí)，也可以看出，功率MOS管比信號(hào)MOS管，具有更大的輸入電容以及更小的導(dǎo)通電阻。

另外，我們還注意到一個(gè)現(xiàn)象，就是功率MOS的PMOS數(shù)量很少，只有14個(gè)，對(duì)比如下。

回到第二個(gè)話題。

2、為什么大功率的MOS管很少有PMOS。

大功率MOSFET中N溝道（N管）占據(jù)主導(dǎo)地位的原因主要涉及物理特性、性能參數(shù)及成本因素，具體說明如下：

1）?載流子遷移率差異?
N溝道MOSFET依賴電子導(dǎo)電，而P溝道依賴空穴導(dǎo)電。由于硅材料中電子的遷移率顯著高于空穴（約2-3倍），在相同晶元面積下，N管的導(dǎo)通電阻更小，從而降低導(dǎo)通損耗并提升電流承載能力。

2）導(dǎo)通電阻與損耗優(yōu)勢(shì)?
N管的導(dǎo)通電阻通常為毫歐級(jí)別，遠(yuǎn)低于同規(guī)格P管。低導(dǎo)通電阻直接減少了大電流場景下的發(fā)熱量，提高了系統(tǒng)效率，尤其在高壓、大功率應(yīng)用中表現(xiàn)更為突出。

3）?開關(guān)速度與動(dòng)態(tài)性能?
N管的開關(guān)速度更快，開關(guān)損耗更低。這一特性使其適合高頻開關(guān)應(yīng)用（如開關(guān)電源、逆變器），而P管因工藝限制難以達(dá)到同等速度，導(dǎo)致高頻下的效率劣勢(shì)。

4）耐壓與電流能力?
N管在耐壓能力（如600V以上）和通流能力上更具優(yōu)勢(shì)。P管受限于材料和結(jié)構(gòu)，耐壓通常較低，難以滿足高功率設(shè)備的需求。

5）?成本與工藝成熟度?
N管制造工藝更成熟，市場需求量大，導(dǎo)致其成本顯著低于P管。而P管因工藝復(fù)雜度和市場規(guī)模限制，價(jià)格相對(duì)較高，進(jìn)一步推動(dòng)N管成為大功率設(shè)計(jì)的首選。

?總結(jié)?：N溝道MOSFET憑借物理特性（載流子遷移率）、性能（低阻、高速、高耐壓）及成本優(yōu)勢(shì)，成為大功率應(yīng)用中的主流選擇；而P管僅在一些特定低壓、低功耗或簡化電路設(shè)計(jì)的場景中使用。

3、MCU為什么不能驅(qū)動(dòng)大功率MOS，如果硬要直接驅(qū)動(dòng)，有什么問題。

下面來搭建仿真測試環(huán)境。

首先，需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)能力和MCU的GPIO驅(qū)動(dòng)能力一致的驅(qū)動(dòng)電路。

參考下面表格的MCU規(guī)格書，搭建P+N推挽電路。

規(guī)格書一般都不會(huì)給芯片工藝，下面就以0.18um COMS工藝進(jìn)行說明。

按輸出拉電流8mA，VOH最低電壓2.4V，得到0.18um工藝PMOS的L=300nm;W=41.8um

備注：MOS管的?L?和W?是描述其物理結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，分別代表溝道的 ?長度?（Length）和 ?寬度?（Width）, L越小，溝道電阻越低，驅(qū)動(dòng)電流越大，開關(guān)速度越快；W越大，等效溝道電阻越低，可承載電流越大，驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力越強(qiáng)。L的最小值受限于芯片的工藝節(jié)點(diǎn)。

按輸出灌電流8mA，VOL最高電壓0.45V，得到0.18um工藝NMOS的L=350nm;W=26.4um

不同的W和L組合對(duì)應(yīng)的電流數(shù)據(jù)如下（添加了W=900u這一數(shù)據(jù)是為了對(duì)比增大MCU驅(qū)動(dòng)電流，對(duì)后級(jí)MOS管驅(qū)動(dòng)的影響）：

在安世官網(wǎng)下載3款NMOS管的spice模型，參數(shù)對(duì)比如下表。

下面分別仿真MCU直接驅(qū)動(dòng)MOS管的仿真波形。

條件1：GPIO驅(qū)動(dòng)電流8毫安,驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通電阻為470毫歐的小信號(hào)MOS管PMDXB600UNE。

電路圖和仿真波形如下：

看起來，波形都正常。

條件2：GPIO驅(qū)動(dòng)電流8毫安,驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通電阻為6.9毫歐的功率MOS管PXN6R7-30QL。

電路圖和仿真波形如下：

可以看出，功率MOS的Vg控制電壓變緩。

條件3：GPIO驅(qū)動(dòng)電流8毫安,驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通電阻為1.1毫歐的功率MOS管PSMN1R0-40ULD。

電路圖和仿真波形如下：

可以看出，功率MOS的Vg控制電壓變得更加緩慢，柵極驅(qū)動(dòng)電壓波形嚴(yán)重失真。

條件4：GPIO驅(qū)動(dòng)電流設(shè)置為仿真模型最大值（W=900u），對(duì)應(yīng)拉電流和灌電流分別是172和273毫安,驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通電阻為1.1毫歐的功率MOS管PSMN1R0-40ULD。

電路圖和仿真波形如下：

可以看出，功率MOS的Vg控制電壓對(duì)比條件3，由于MCU的GPIO驅(qū)動(dòng)能力加強(qiáng)，柵極驅(qū)動(dòng)電壓恢復(fù)正常。

從上面的仿真可以看出，由于功率MOS的輸入電容更大，MCU提供的8毫安驅(qū)動(dòng)電流并不能良好的驅(qū)動(dòng)功率MOS管，會(huì)導(dǎo)致MOS管柵極電壓上升速度變緩，也意味著MOS管的熱損耗更大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致燒管子。

而通過提升MCU驅(qū)動(dòng)電流，則能提高柵極電壓上升速度。

條件4的設(shè)置只是理論上的，MCU并不能夠提供百毫安量級(jí)以上的驅(qū)動(dòng)能力，要驅(qū)動(dòng)大功率MOS，在MCU和功率MOS之間串聯(lián)一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器就能解決問題。

4、柵極驅(qū)動(dòng)芯片為什么能夠驅(qū)動(dòng)功率MOS管。

我們以EG27517這顆芯片舉例，框圖如下：

典型應(yīng)用如下：

芯片規(guī)格書指標(biāo)如下，可以看出，輸入邏輯電平，高電平大于2.5V就可以，因此3.3V供電的MCU就可以使用這款柵極驅(qū)動(dòng)器。輸入電流100uA，也遠(yuǎn)低于MCU的拉電流。

IO的驅(qū)動(dòng)能力為±4A，可以直接驅(qū)動(dòng)功率MOS管。

總結(jié)：

1.通用MCU的GPIO驅(qū)動(dòng)能力有限，只能驅(qū)動(dòng)小信號(hào)MOS管。

2.大功率MOS管具有更大的輸入電容，如果用MCU直接驅(qū)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致MCU驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電壓充電時(shí)間更長，上升電壓斜率變緩，MOS管熱損耗變大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致MOS管燒毀。

3.大功率的PMOS管比NMOS成本更高，在大功率MOS驅(qū)動(dòng)電路里，通常只采用NMOS。

4.通過加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)芯片，可以解決MCU不能直接驅(qū)動(dòng)大功率MOS管的問題。