常见的MOSFET驱动拓扑与电路设计技巧大公开

常见的MOSFET驱动电路拓扑（Topologies），包括低边驱动、高边驱动、推挽驱动、自举驱动、光隔离驱动、全桥／半桥驱动，这些驱动方式会根据MOSFET的类型（N-channel或P-channel）、安装位置（高边／低边）、开关频率及功率等条件而有所不同。

1. 低边驱动（Low-side Drive）

在低边驱动的结构中，N-MOSFET安装在负载与接地之间（负载在上、MOSFET在下），栅极由MCU或驱动器输出电压直接控制，其适用于LED调光、电机启动、开关控制、电源管理等场景，以及多数PWM控制场景（Buck降压转换器）。

低边驱动具有N-MOSFET导通阻抗低、开关速度快、成本低的优点，驱动简单，可直接由MCU控制，但接地端可能产生电流突波，影响信号质量（需注意接地分离与滤波），不适合做高边电源切换。

采用低边驱动设计时，首先应选择适当的MOSFET，应确保MOSFET的阈值电压（Vth）低于驱动电压，以便完全导通，并选择具有低导通电阻（RDS(on)）的MOSFET，以减少功率损耗和热量产生。

UCCx732x低边驱动电路范例

在驱动电压与电流考虑方面，应确保驱动电压足以使MOSFET完全导通。以上图为例，针对高速开关应用，使用TI UCC27324 高速双路MOSFET驱动器，可提供高达4A峰值拉电流和4A峰值灌电流，输出级还可并联使用，以提供更高的单路驱动电源。

在栅极电阻设计时，应采用适当的栅极电阻，以控制MOSFET的开关速度，减少电磁干扰（EMI），并有助于防止栅极振荡现象。此外，应采用栅极拉低电阻以防止误导通，在驱动器关闭时，拉低电阻可确保MOSFET保持关闭状态，防止因浮动电压而误导通。在设计PCB布局与接地时，应最小化回路面积，减少电流回路的面积，以降低EMI，并采用良好的接地设计，确保驱动器和功率MOSFET具有良好的接地连接，避免地电位差引起的问题。

2. 高边驱动（High-side Drive）

高边驱动的结构是将MOSFET接在电源与负载之间（负载在下、MOSFET在上），多为P-MOSFET或搭配N-MOSFET加上驱动器（Bootstrap），适用于控制电源开关（如电池正端开关、电源管理）、H-Bridge半桥／全桥驱动中的高边场景。

高边驱动具有适合电源正端控制，断开时整个负载为浮地，安全性较高的优点，可应用于锂电池切换、防反接保护，但其P-MOSFET的Rds(on)较高、性能稍差。若用N-MOSFET高边驱动，需采用自举电路（Bootstrap）或电荷帮浦（charge pump）来增加控制复杂度。

FAN73711高边驱动电路范例

在采用高边驱动设计时，需先考虑驱动电压需求，高边N通道MOSFET的源极电压会随负载电压上升，因此其栅极需比源极高出约10V以确保完全导通。在采用自举（Bootstrap）电路时，常用于提供高边驱动所需的电压。自举电容需在MOSFET关闭期间充电，因此不适用于长时间导通的应用。以上图的高边驱动电路为例，使用了一个onsemi的FAN73711，输入端支持3.3V或5V数字信号直接驱动。

对于需要长时间导通或高可靠性的应用，可采用隔离式驱动，如光耦合器、变压器或电容式隔离，以提供稳定的高边驱动电压。此外，在设计中应包含保护机制，像是过压保护、欠压锁定（UVLO）和短路保护等功能，以防止器件损坏。在PCB布局方面，应注意减少寄生电感和电容，确保驱动信号的完整性，并避免因布局不当导致的EMI问题。

3. 推挽驱动（Push-Pull Drive）

推挽驱动的结构是由两颗MOSFET或双极晶体管构成，形成一对互补输出，驱动端交替导通，用于提升或下降栅极电压，适用于栅极驱动IC输出级（如Microchip TC4420和TC4429 等）、高频率、高电流开关驱动（如PWM控制、电机控制）等场景。

推挽驱动具有能快速充放栅极电容（快速开关）、提供强驱动能力（>2A）、降低交越损耗的优点，但其成本略高、控制较复杂，且需处理死区时间（Dead Time）避免上下导通产生贯通电流。

在推挽驱动的设计注意事项方面，需要防止交越导通（Shoot-Through），这是因为在推挽驱动中，两个驱动器需交替导通，若未设置适当的死区时间，可能导致上下驱动器同时导通，造成短路。此外，还需控制开关速度，过快的开关速度可能引起电磁干扰（EMI）和振荡，通过调整栅极电阻值，可控制开关速度，降低EMI。

三极管低边推挽驱动电路范例

以上图采用三极管低边推挽驱动电路为例，驱动三极管可以使用8050 或8550，或者B772 和D882，此处测试使用的电源是DC 12V，所以不需要额外的电源提供驱动电压，如果负载端的电压高于控制电压，就要将驱动电压降到MOSFET的Vgs的最大范围内。

另一方面，应选择适当的驱动电流，根据MOSFET的栅极电荷和所需的开关速度，选择具有足够驱动电流能力的驱动器，以确保MOSFET能快速充放电。此外，应具有良好的PCB布局，减少驱动路径的寄生电感和电容，确保驱动信号的完整性，并避免因布局不当导致的EMI问题。

4. 自举电路驱动（Bootstrap Drive）

自举电路驱动的结构是利用电容将低边MOSFET导通时的电压差存储在电容中，再用此电压驱动高边N-MOSFET，其适用于半桥或全桥电路（如逆变器、电机驱动器），可提升Vgs驱动高边MOSFET等场景。

自举电路驱动可用N-MOSFET当高边来降低Rds(on)以提升效率，并具有成本低、简单可靠的优点，但当高边MOSFET无法长时间导通时，需定期刷新自举电容，并受限于PWM最低占空比，需要有足够时间让自举电容充电。

自举电路驱动在设计时，首先要考虑自举电容（C_boot）的选择，在容量计算上，自举电容应至少为高边MOSFET栅极电容的10倍，以确保在开关期间提供足够的电荷。选择时应使用低等效串联电阻（ESR）和低等效串联电感（ESL）的多层陶瓷电容（MLCC），以减少电压涟波和提高可靠性。

在自举二极管的选择方面，应选择具有低正向压降和快速恢复特性的肖特基二极管，以减少功率损耗和提高开关速度。在自举电阻（R_boot）的应用上，应限制启动期间通过自举二极管的峰值电流，保护器件免受损坏。此外，电阻值需平衡充电时间和电流限制，避免过大的充电延迟或过高的启动电流。

在布局考虑上，应将自举电容和二极管尽可能靠近驱动器IC，减少寄生电感和电阻，提升系统性能，并最小化高电流路径的回路面积，降低电磁干扰（EMI）和电压尖峰。

在应用上，需要注意导通时间限制。自举电路不适用于高边MOSFET长时间导通，因为电容可能无法持续提供足够的电压。在低频或静态应用中，自举电容可能无法充分充电，建议使用隔离式驱动方案。

MOSFET自举驱动电路范例

以上图的自举驱动电路为例，此图展示了高度简化的高边MOSFET栅极驱动电路，分别用于驱动有刷和无刷电机的H桥或三相H桥相关的高度简化的电路，自举电容器C1为MOSFET栅极驱动提供能量，栅极驱动直接取自光隔离器的输出晶体管。该电路使用共集电极配置，以便NPN晶体管将MOSFET上拉至自举电压。关断时，电阻器R2将通过R4限流电阻器对MOSFET栅极放电。市面上常见的自举驱动IC包括TI UCC27710、Infineon EiceDRIVER系列。

5. 光偶隔离驱动（Opto-Isolated Drive）

光偶隔离驱动的结构是通过光耦（Optocoupler）连接到MOSFET的栅极，将逻辑边与功率边电隔离，常搭配隔离型栅极驱动器，适用于工业控制、电源模块、电机驱动、高压系统（>60V）等场景，以及对安全要求高的应用。光偶隔离驱动具有完整隔离控制与功率路径、增强耐噪性与ESD保护的优点，但其成本与体积较大，并受到传输延迟与带宽限制（视光耦速度而定）。

光偶隔离驱动在设计时应先选择专为驱动MOSFET设计的光耦合器，如onsemi的FOD3182 或Broadcom的HCPL-3180，这些器件具有足够的输出电流能力，能够快速充放MOSFET的栅极电容，实现快速开关。此外，还应考虑驱动电流能力，光耦合器的输出电流必须足以驱动MOSFET的栅极。若光耦合器的输出电流不足，可能需要在其输出端添加一级缓冲放大器，如达林顿对（Darlington pair）或MOSFET驱动器IC，以提供足够的驱动电流。

FOD3182光耦隔离MOSFET驱动电路范例

另一方面，应设计适当的栅极电阻，在光耦合器的输出与MOSFET栅极之间添加适当的电阻，可以控制开关速度，减少振荡和EMI，电阻值的选择需在开关速度和电磁干扰之间取得平衡。此外，应设置栅极下拉电阻，在MOSFET的栅极与源极之间添加下拉电阻，确保在光耦合器未导通时，MOSFET保持关闭状态，防止因栅极悬空而导致的误导通。另外还需注意光耦合器的开关速度，光耦合器的开关速度会影响整个电路的响应速度，应选择具有快速上升和下降时间的光耦合器，以满足高频开关应用的需求。

6. 全桥／半桥驱动（H-Bridge / Half-Bridge）

全桥／半桥驱动的结构是使用4颗或2颗N-MOSFET来控制正反向电流流动，常见于DC电机正反转控制、逆变器、UPS等，适用于电机控制（DC、步进）、功率逆变器、再生制动系统等场景。

全桥／半桥驱动具有可进行双向电流控制（正反转）、能回收能量（再生制动）的优点，但也有控制复杂，需精确控制死区，以及高边MOS仍需自举或隔离驱动的缺点。

全桥／半桥驱动在设计上应防止交越导通（Shoot-Through），在全桥和半桥拓扑中，需确保上下MOSFET不会同时导通，以防止电源短路，这通常通过设置适当的死区时间来实现。此外，高边MOSFET的驱动通常依赖自举电路，设计时需确保自举电容有足够的容量，并选择低正向压降的二极管，以保证高边MOSFET能够可靠导通。

另一方面还需控制开关速度，过快的开关速度可能引起电磁干扰（EMI）和振荡，通过调整栅极电阻值，可控制开关速度，降低EMI，并进行适当的PCB布局，将有助于减少寄生电感和电容，确保驱动信号的完整性，并避免因布局不当导致的EMI问题。

IR2104半桥驱动电路范例

以上图的半桥驱动电路违例，半桥驱动的MOS三极管分成上桥臂与下桥臂，采用Infineon IR2104 便可用一个输入信号同时控制上下桥臂，内部便具有死区时间，选择MOSFET时要注意开关速度与死区时间。单独使用半桥驱动一般应用在同步DC-DC整流，在电机控制或逆变器中，通常会使用两个半桥，构成一个全桥来使用。

HIP4080A全桥驱动电路范例

以上图瑞萨的HIP4080A 全桥驱动电路为例，四个桥臂以四个输入单独来控制，也可以使用两个输入控制四个桥臂。若再加一个反向器，只需要一个PWM信号即可控制四个桥臂，并且可以通过DEL引脚配置死区时间。全桥一般应用在单向逆变器，或需要控制速度和方向的直流电机驱动中。

结语

深入探讨了各种MOSFET的电路设计拓扑后，可以了解选择合适的电路设计拓扑与掌握正确的设计技巧，是确保系统稳定性、开关效率与安全性的关键。不论是简单的低边驱动，还是复杂的全桥电路，设计者都必须根据实际应用需求，仔细考虑电压电流规格、开关频率、驱动能力与保护机制等要素。

掌握如自举原理、死区控制、驱动电流匹配、以及隔离防护等技巧，不仅能大幅提升驱动效率，还能有效延长MOSFET与系统寿命。随着电源电子与智能控制应用不断扩展，MOSFET驱动技术也将持续演进，带来更多可能性，让我们善用这些设计技巧，打造更高效、更可靠、更智能的电子系统！

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