來源：硬件驛站

在設計驅動電路時，經常會用到MOS管做開關電路，而在驅動一些大功率負載時，主控芯片并不會直接驅動大功率MOS管，而是在MCU和大功率MOS管之間加入柵極驅動器芯片。

柵極驅動器芯片是連接低壓控制器與高功率電路的橋梁，通過放大控制信號并提供瞬態拉/灌電流，實現功率器件(如MOSFET、IGBT、SiC MOSFET等)的快速導通與關斷，降低開關損耗并提升系統效率。

本文將探討如下幾個問題，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為什么不能驅動大功率MOS，如果硬要直接驅動，有什么問題。

4、柵極驅動芯片為什么能夠驅動功率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，最好的辦法就是上專業廠家網站。

通過下面的鏈接，可以看到安世公司的MOSFET型號。

一共分了4個類別：

Automotive MOSFETs

Power MOSFETs

Small signal MOSFETs

Application Specific MOSFETs

因為本文是討論MOS的驅動能力相關的技術問題，這里只重點對比Power MOSFETs和Small signal MOSFETs這兩個類別的器件。

先看小信號MOSFETs有些什么特點。

此類別共有211個N管，116個P管，12個N+P管。

這211個NMOS管，統計Ciss和RDSon范圍如下：

輸入電容Ciss的范圍：9~2195pF

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

對比如下圖：

總體來說，隨著RDSon變小，Ciss逐漸增大。

MOS管的極間電容和手冊所看到的Ciss,Coss,Crss關系如下：

我們再看功率MOS管。

此類別共有311個N管，14個P管。

輸入電容Ciss的范圍：350pF~18409pF

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

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

另外，我們還注意到一個現象，就是功率MOS的PMOS數量很少，只有14個，對比如下。

回到第二個話題。

2、為什么大功率的MOS管很少有PMOS。

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

1）?載流子遷移率差異?
N溝道MOSFET依賴電子導電，而P溝道依賴空穴導電。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管的導通電阻更小，從而降低導通損耗并提升電流承載能力。

2）導通電阻與損耗優勢?
N管的導通電阻通常為毫歐級別，遠低于同規格P管。低導通電阻直接減少了大電流場景下的發熱量，提高了系統效率，尤其在高壓、大功率應用中表現更為突出。

3）?開關速度與動態性能?
N管的開關速度更快，開關損耗更低。這一特性使其適合高頻開關應用（如開關電源、逆變器），而P管因工藝限制難以達到同等速度，導致高頻下的效率劣勢。

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勢。P管受限于材料和結構，耐壓通常較低，難以滿足高功率設備的需求。

5）?成本與工藝成熟度?
N管制造工藝更成熟，市場需求量大，導致其成本顯著低于P管。而P管因工藝復雜度和市場規模限制，價格相對較高，進一步推動N管成為大功率設計的首選。

?總結?：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）及成本優勢，成為大功率應用中的主流選擇；而P管僅在一些特定低壓、低功耗或簡化電路設計的場景中使用。

3、MCU為什么不能驅動大功率MOS，如果硬要直接驅動，有什么問題。

下面來搭建仿真測試環境。

首先，需要一個驅動能力和MCU的GPIO驅動能力一致的驅動電路。

參考下面表格的MCU規格書，搭建P+N推挽電路。

規格書一般都不會給芯片工藝，下面就以0.18um COMS工藝進行說明。

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?是描述其物理結構的關鍵參數，分別代表溝道的 ?長度?（Length）和 ?寬度?（Width）, L越小，溝道電阻越低，驅動電流越大，開關速度越快；W越大，等效溝道電阻越低，可承載電流越大，驅動負載能力越強。L的最小值受限于芯片的工藝節點。

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組合對應的電流數據如下（添加了W=900u這一數據是為了對比增大MCU驅動電流，對后級MOS管驅動的影響）：

在安世官網下載3款NMOS管的spice模型，參數對比如下表。

下面分別仿真MCU直接驅動MOS管的仿真波形。

條件1：GPIO驅動電流8毫安,驅動導通電阻為470毫歐的小信號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驅動電流8毫安,驅動導通電阻為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驅動電流8毫安,驅動導通電阻為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，柵極驅動電壓波形嚴重失真。

條件4：GPIO驅動電流設置為仿真模型最大值（W=900u），對應拉電流和灌電流分別是172和273毫安,驅動導通電阻為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控制電壓對比條件3，由于MCU的GPIO驅動能力加強，柵極驅動電壓恢復正常。

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毫安驅動電流并不能良好的驅動功率MOS管，會導致MOS管柵極電壓上升速度變緩，也意味著MOS管的熱損耗更大，嚴重時會導致燒管子。

而通過提升MCU驅動電流，則能提高柵極電壓上升速度。

條件4的設置只是理論上的，MCU并不能夠提供百毫安量級以上的驅動能力，要驅動大功率MOS，在MCU和功率MOS之間串聯一個柵極驅動器就能解決問題。

4、柵極驅動芯片為什么能夠驅動功率MOS管。

我們以EG27517這顆芯片舉例，框圖如下：

典型應用如下：

芯片規格書指標如下，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動器。輸入電流100uA，也遠低于MCU的拉電流。

IO的驅動能力為±4A，可以直接驅動功率MOS管。

總結：

1.通用MCU的GPIO驅動能力有限，只能驅動小信號MOS管。

2.大功率MOS管具有更大的輸入電容，如果用MCU直接驅動，會導致MCU驅動柵極電壓充電時間更長，上升電壓斜率變緩，MOS管熱損耗變大，嚴重時會導致MOS管燒毀。

3.大功率的PMOS管比NMOS成本更高，在大功率MOS驅動電路里，通常只采用NMOS。

4.通過加柵極驅動芯片，可以解決MCU不能直接驅動大功率MOS管的問題。