常見的MOSFET驅動拓撲與電路設計技巧大公開

常見的MOSFET驅動電路拓撲（Topologies），包括低側驅動、高側驅動、推挽驅動、自舉驅動、光隔離驅動、全橋／半橋驅動，這些驅動方式會根據MOSFET的類型（N-channel或P-channel）、安裝位置（高側／低側）、開關頻率及功率等條件而有所不同。

1. 低側驅動（Low-side Drive）

在低側驅動的結構中，N-MOSFET安裝在負載與接地之間（負載在上、MOSFET在下），閘極由MCU或驅動器輸出電壓直接控制，其適用於LED調光、馬達啟動、開關控制、電源管理等場景，以及多數PWM控制場景（Buck降壓轉換器）。

低側驅動具有N-MOSFET導通阻抗低、開關速度快、成本低的優點，驅動簡單，可直接由MCU控制，但接地端可能產生電流突波，影響訊號品質（需注意接地分離與濾波），不適合做高側電源切換。

採用低側驅動設計時，首先應選擇適當的MOSFET，應確保MOSFET的閾值電壓（Vth）低於驅動電壓，以便完全導通，並選擇具有低導通電阻（RDS(on)）的MOSFET，以減少功率損耗和熱量產生。

UCCx732x低側驅動電路範例

在驅動電壓與電流考量方面，應確保驅動電壓足以使MOSFET完全導通。以上圖為例，針對高速開關應用，使用TI UCC27324 高速雙路MOSFET驅動器，可提供高達4A峰值拉電流和4A峰值灌電流，輸出級還可並聯使用，以提供更高的單路驅動電源。

在閘極電阻設計時，應採用適當的閘極電阻，以控制MOSFET的開關速度，減少電磁干擾（EMI），並有助於防止閘極振盪現象。此外，應採用閘極拉低電阻以防止誤導通，在驅動器關閉時，拉低電阻可確保MOSFET保持關閉狀態，防止因浮動電壓而誤導通。在設計PCB佈局與接地時，應最小化迴路面積，減少電流迴路的面積，以降低EMI，並採用良好的接地設計，確保驅動器和功率MOSFET具有良好的接地連接，避免地電位差引起的問題。

2. 高側驅動（High-side Drive）

高側驅動的結構是將MOSFET接在電源與負載之間（負載在下、MOSFET在上），多為P-MOSFET或搭配N-MOSFET加上驅動器（Bootstrap），適用於控制電源開關（如電池正端開關、電源管理）、H-Bridge半橋／全橋驅動中的高側場景。

高側驅動具有適合電源正端控制，斷開時整個負載為浮地，安全性較高的優點，可應用於鋰電池切換、防反接保護，但其P-MOSFET的Rds(on)較高、性能稍差。若用N-MOSFET高側驅動，需採用自舉電路（Bootstrap）或電荷幫浦（charge pump）來增加控制複雜度。

FAN73711高側驅動電路範例

在採用高側驅動設計時，需先考慮驅動電壓需求，高側N通道MOSFET的源極電壓會隨負載電壓上升，因此其閘極需比源極高出約10V以確保完全導通。在採用自舉（Bootstrap）電路時，常用於提供高側驅動所需的電壓。自舉電容需在MOSFET關閉期間充電，因此不適用於長時間導通的應用。以上圖的高側驅動電路為例，使用了一個onsemi的FAN73711，輸入端支持3.3V或5V數位訊號直接驅動。

對於需要長時間導通或高可靠性的應用，可採用隔離式驅動，如光耦合器、變壓器或電容式隔離，以提供穩定的高側驅動電壓。此外，在設計中應包含保護機制，像是過電壓保護、欠電壓鎖定（UVLO）和短路保護等功能，以防止元件損壞。在PCB佈局方面，應注意減少寄生電感和電容，確保驅動訊號的完整性，並避免因佈局不當導致的EMI問題。

3. 推挽驅動（Push-Pull Drive）

推挽驅動的結構是由兩顆MOSFET或雙極電晶體構成，形成一對互補輸出，驅動端交替導通，用於提升或下降閘極電壓，適用於閘極驅動IC輸出級（如Microchip TC4420和TC4429 等）、高頻率、高電流開關驅動（如PWM控制、馬達控制）等場景。

推挽驅動具有能快速充放閘極電容（快速開關）、提供強驅動能力（>2A）、降低交越損耗的優點，但其成本略高、控制較複雜，且需處理死區時間（Dead Time）避免上下導通產生貫通電流。

在推挽驅動的設計注意事項方面，需要防止交越導通（Shoot-Through），這是因為在推挽驅動中，兩個驅動器需交替導通，若未設置適當的死區時間，可能導致上下驅動器同時導通，造成短路。此外，還需控制開關速度，過快的開關速度可能引起電磁干擾（EMI）和振盪，透過調整閘極電阻值，可控制開關速度，降低EMI。

三極體低側推挽驅動電路範例

以上圖採用三極體低側推挽驅動電路為例，驅動三極體可以使用8050 或8550，或者B772 和D882，此處測試使用的電源是DC 12V，所以不需要額外的電源提供驅動電壓，如果負載端的電壓高於控制電壓，就要將驅動電壓降到MOSFET的Vgs的最大範圍內。

另一方面，應選擇適當的驅動電流，根據MOSFET的閘極電荷和所需的開關速度，選擇具有足夠驅動電流能力的驅動器，以確保MOSFET能快速充放電。此外，應具有良好的PCB佈局，減少驅動路徑的寄生電感和電容，確保驅動訊號的完整性，並避免因佈局不當導致的EMI問題。

4. 自舉電路驅動（Bootstrap Drive）

自舉電路驅動的結構是利用電容將低側MOSFET導通時的電壓差儲存在電容中，再用此電壓驅動高側N-MOSFET，其適用於半橋或全橋電路（如變頻器、馬達驅動器），可提升Vgs驅動高側MOSFET等場景。

自舉電路驅動可用N-MOSFET當高側來降低Rds(on)以提升效率，並具有成本低、簡單可靠的優點，但當高側MOSFET無法長時間導通時，需定期刷新自舉電容，並受限於PWM最低佔空比，需要有足夠時間讓自舉電容充電。

自舉電路驅動在設計時，首先要考慮自舉電容（C_boot）的選擇，在容量計算上，自舉電容應至少為高側MOSFET閘極電容的10倍，以確保在開關期間提供足夠的電荷。選擇時應使用低等效串聯電阻（ESR）和低等效串聯電感（ESL）的多層陶瓷電容（MLCC），以減少電壓漣波和提高可靠性。

在自舉二極體的選擇方面，應選擇具有低正向壓降和快速恢復特性的蕭特基二極體，以減少功率損耗和提高開關速度。在自舉電阻（R_boot）的應用上，應限制啟動期間通過自舉二極體的峰值電流，保護元件免受損壞。此外，電阻值需平衡充電時間和電流限制，避免過大的充電延遲或過高的啟動電流。

在佈局考量上，應將自舉電容和二極體盡可能靠近驅動器IC，減少寄生電感和電阻，提升系統性能，並最小化高電流路徑的迴路面積，降低電磁干擾（EMI）和電壓尖峰。

在應用上，需要注意導通時間限制。自舉電路不適用於高側MOSFET長時間導通，因為電容可能無法持續提供足夠的電壓。在低頻或靜態應用中，自舉電容可能無法充分充電，建議使用隔離式驅動方案。

MOSFET自舉驅動電路範例

以上圖的自舉驅動電路為例，此圖展示了高度簡化的高側MOSFET閘極驅動電路，分別用於驅動有刷和無刷馬達的H橋或三相H橋相關的高度簡化的電路，自舉電容器C1為MOSFET閘極驅動提供能量，閘極驅動直接取自光隔離器的輸出電晶體。該電路使用共集電極配置，以便NPN電晶體將MOSFET上拉至自舉電壓。關斷時，電阻器R2將透過R4限流電阻器對MOSFET閘極放電。市面上常見的自舉驅動IC包括TI UCC27710、Infineon EiceDRIVER系列。

5. 光偶隔離驅動（Opto-Isolated Drive）

光偶隔離驅動的結構是透過光耦（Optocoupler）連接到MOSFET的閘極，將邏輯側與功率側電隔離，常搭配隔離型閘極驅動器，適用於工業控制、電源模塊、馬達驅動、高壓系統（>60V）等場景，以及對安全要求高的應用。光偶隔離驅動具有完整隔離控制與功率路徑、增強耐噪性與ESD保護的優點，但其成本與體積較大，並受到傳輸延遲與頻寬限制（視光耦速度而定）。

光偶隔離驅動在設計時應先選擇專為驅動MOSFET設計的光耦合器，如onsemi的FOD3182 或Broadcom的HCPL-3180，這些元件具有足夠的輸出電流能力，能夠快速充放MOSFET的閘極電容，實現快速開關。此外，還應考慮驅動電流能力，光耦合器的輸出電流必須足以驅動MOSFET的閘極。若光耦合器的輸出電流不足，可能需要在其輸出端添加一級緩衝放大器，如達林頓對（Darlington pair）或MOSFET驅動器IC，以提供足夠的驅動電流。

FOD3182光耦隔離MOSFET驅動電路範例

另一方面，應設計適當的閘極電阻，在光耦合器的輸出與MOSFET閘極之間添加適當的電阻，可以控制開關速度，減少振盪和EMI，電阻值的選擇需在開關速度和電磁干擾之間取得平衡。此外，應設置閘極下拉電阻，在MOSFET的閘極與源極之間添加下拉電阻，確保在光耦合器未導通時，MOSFET保持關閉狀態，防止因閘極懸空而導致的誤導通。另外還需注意光耦合器的開關速度，光耦合器的開關速度會影響整個電路的響應速度，應選擇具有快速上升和下降時間的光耦合器，以滿足高頻開關應用的需求。

6. 全橋／半橋驅動（H-Bridge / Half-Bridge）

全橋／半橋驅動的結構是使用4顆或2顆N-MOSFET來控制正反向電流流動，常見於DC馬達正反轉控制、變頻器、UPS等，適用於馬達控制（DC、步進）、功率變頻器、再生煞車系統等場景。

全橋／半橋驅動具有可進行雙向電流控制（正反轉）、能回收能量（再生煞車）的優點，但也有控制複雜，需精確控制死區，以及高側MOS仍需自舉或隔離驅動的缺點。

全橋／半橋驅動在設計上應防止交越導通（Shoot-Through），在全橋和半橋拓撲中，需確保上下MOSFET不會同時導通，以防止電源短路，這通常透過設置適當的死區時間來實現。此外，高側MOSFET的驅動通常依賴自舉電路，設計時需確保自舉電容有足夠的容量，並選擇低正向壓降的二極體，以保證高側MOSFET能夠可靠導通。

另一方面還需控制開關速度，過快的開關速度可能引起電磁干擾（EMI）和振盪，透過調整閘極電阻值，可控制開關速度，降低EMI，並進行適當的PCB佈局，將有助於減少寄生電感和電容，確保驅動訊號的完整性，並避免因佈局不當導致的EMI問題。

IR2104半橋驅動電路範例

以上圖的半橋驅動電路違例，半橋驅動的MOS三極體分成上橋臂與下橋臂，採用Infineon IR2104 便可用一個輸入訊號同時控制上下橋臂，內部便具有死區時間，選擇MOSFET時要注意開關速度與死區時間。單獨使用半橋驅動一般應用在同步DC-DC整流，在馬達控制或變頻器中，通常會使用兩個半橋，構成一個全橋來使用。

HIP4080A全橋驅動電路範例

以上圖瑞薩的HIP4080A 全橋驅動電路為例，四個橋臂以四個輸入單獨來控制，也可以使用兩個輸入控制四個橋臂。若再加一個反向器，只需要一個PWM訊號即可控制四個橋臂，並且可以透過DEL接腳配置死區時間。全橋一般應用在單向變頻器，或需要控制速度和方向的直流馬達驅動中。

結語

深入探討了各種MOSFET的電路設計拓撲後，可以了解選擇合適的電路設計拓撲與掌握正確的設計技巧，是確保系統穩定性、開關效率與安全性的關鍵。不論是簡單的低側驅動，還是複雜的全橋電路，設計者都必須根據實際應用需求，仔細考慮電壓電流規格、開關頻率、驅動能力與保護機制等要素。

掌握如自舉原理、死區控制、驅動電流匹配、以及隔離防護等技巧，不僅能大幅提升驅動效率，還能有效延長MOSFET與系統壽命。隨著電源電子與智慧控制應用不斷擴展，MOSFET驅動技術也將持續演進，帶來更多可能性，讓我們善用這些設計技巧，打造更高效率、更可靠、更智慧的電子系統！

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