MCU为什么不能直接驱动大功率MOS管

来源：硬件驿站

在设计驱动电路时，经常会用到MOS管做开关电路，而在驱动一些大功率负载时，主控芯片并不会直接驱动大功率MOS管，而是在MCU和大功率MOS管之间加入栅极驱动器芯片。

栅极驱动器芯片是连接低压控制器与高功率电路的桥梁，通过放大控制信号并提供瞬态拉/灌电流，实现功率器件(如MOSFET、IGBT、SiC MOSFET等)的快速导通与关断，降低开关损耗并提升系统效率。

本文将探讨如下几个问题，看看大家是如何理解的。

1、MOS管有哪些分类，各分类有什么差异。

2、为什么大功率的MOS管很少有PMOS。

3、MCU为什么不能驱动大功率MOS，如果硬要直接驱动，有什么问题。

4、栅极驱动芯片为什么能够驱动功率MOS管。

下面分别说明。

1、MOS管有哪些分类，各分类有什么差异。

要了解这些知识，最好的办法就是上专业厂家网站。

通过下面的链接，可以看到安世公司的MOSFET型号。

一共分了4个类别：

Automotive MOSFETs

Power MOSFETs

Small signal MOSFETs

Application Specific MOSFETs

因为本文是讨论MOS的驱动能力相关的技术问题，这里只重点对比Power MOSFETs和Small signal MOSFETs这两个类别的器件。

先看小信号MOSFETs有些什么特点。

此类别共有211个N管，116个P管，12个N+P管。

这211个NMOS管，统计Ciss和RDSon范围如下：

输入电容Ciss的范围：9~2195pF

导通电阻RDSon的范围：4.9~3800mΩ（[typ] @ VGS = 4.5 V）

对比如下图：

总体来说，随着RDSon变小，Ciss逐渐增大。

MOS管的极间电容和手册所看到的Ciss,Coss,Crss关系如下：

我们再看功率MOS管。

此类别共有311个N管，14个P管。

输入电容Ciss的范围：350pF~18409pF

导通电阻RDSon的范围：0.65~60.6 mΩ（[typ] @ VGS = 4.5 V）

和小信号MOS一样，随着RDSon变小，Ciss逐渐增大。同时，也可以看出，功率MOS管比信号MOS管，具有更大的输入电容以及更小的导通电阻。

另外，我们还注意到一个现象，就是功率MOS的PMOS数量很少，只有14个，对比如下。

回到第二个话题。

2、为什么大功率的MOS管很少有PMOS。

大功率MOSFET中N沟道（N管）占据主导地位的原因主要涉及物理特性、性能参数及成本因素，具体说明如下：

1）?载流子迁移率差异?
N沟道MOSFET依赖电子导电，而P沟道依赖空穴导电。由于硅材料中电子的迁移率显著高于空穴（约2-3倍），在相同晶元面积下，N管的导通电阻更小，从而降低导通损耗并提升电流承载能力。

2）导通电阻与损耗优势?
N管的导通电阻通常为毫欧级别，远低于同规格P管。低导通电阻直接减少了大电流场景下的发热量，提高了系统效率，尤其在高压、大功率应用中表现更为突出。

3）?开关速度与动态性能?
N管的开关速度更快，开关损耗更低。这一特性使其适合高频开关应用（如开关电源、逆变器），而P管因工艺限制难以达到同等速度，导致高频下的效率劣势。

4）耐压与电流能力?
N管在耐压能力（如600V以上）和通流能力上更具优势。P管受限于材料和结构，耐压通常较低，难以满足高功率设备的需求。

5）?成本与工艺成熟度?
N管制造工艺更成熟，市场需求量大，导致其成本显著低于P管。而P管因工艺复杂度和市场规模限制，价格相对较高，进一步推动N管成为大功率设计的首选。

?总结?：N沟道MOSFET凭借物理特性（载流子迁移率）、性能（低阻、高速、高耐压）及成本优势，成为大功率应用中的主流选择；而P管仅在一些特定低压、低功耗或简化电路设计的场景中使用。

3、MCU为什么不能驱动大功率MOS，如果硬要直接驱动，有什么问题。

下面来搭建仿真测试环境。

首先，需要一个驱动能力和MCU的GPIO驱动能力一致的驱动电路。

参考下面表格的MCU规格书，搭建P+N推挽电路。

规格书一般都不会给芯片工艺，下面就以0.18um COMS工艺进行说明。

按输出拉电流8mA，VOH最低电压2.4V，得到0.18um工艺PMOS的L=300nm;W=41.8um

备注：MOS管的?L?和W?是描述其物理结构的关键参数，分别代表沟道的 ?长度?（Length）和 ?宽度?（Width）, L越小，沟道电阻越低，驱动电流越大，开关速度越快；W越大，等效沟道电阻越低，可承载电流越大，驱动负载能力越强。L的最小值受限于芯片的工艺节点。

按输出灌电流8mA，VOL最高电压0.45V，得到0.18um工艺NMOS的L=350nm;W=26.4um

不同的W和L组合对应的电流数据如下（添加了W=900u这一数据是为了对比增大MCU驱动电流，对后级MOS管驱动的影响）：

在安世官网下载3款NMOS管的spice模型，参数对比如下表。

下面分别仿真MCU直接驱动MOS管的仿真波形。

条件1：GPIO驱动电流8毫安,驱动导通电阻为470毫欧的小信号MOS管PMDXB600UNE。

电路图和仿真波形如下：

看起来，波形都正常。

条件2：GPIO驱动电流8毫安,驱动导通电阻为6.9毫欧的功率MOS管PXN6R7-30QL。

电路图和仿真波形如下：

可以看出，功率MOS的Vg控制电压变缓。

条件3：GPIO驱动电流8毫安,驱动导通电阻为1.1毫欧的功率MOS管PSMN1R0-40ULD。

电路图和仿真波形如下：

可以看出，功率MOS的Vg控制电压变得更加缓慢，栅极驱动电压波形严重失真。

条件4：GPIO驱动电流设置为仿真模型最大值（W=900u），对应拉电流和灌电流分别是172和273毫安,驱动导通电阻为1.1毫欧的功率MOS管PSMN1R0-40ULD。

电路图和仿真波形如下：

可以看出，功率MOS的Vg控制电压对比条件3，由于MCU的GPIO驱动能力加强，栅极驱动电压恢复正常。

从上面的仿真可以看出，由于功率MOS的输入电容更大，MCU提供的8毫安驱动电流并不能良好的驱动功率MOS管，会导致MOS管栅极电压上升速度变缓，也意味着MOS管的热损耗更大，严重时会导致烧管子。

而通过提升MCU驱动电流，则能提高栅极电压上升速度。

条件4的设置只是理论上的，MCU并不能够提供百毫安量级以上的驱动能力，要驱动大功率MOS，在MCU和功率MOS之间串联一个栅极驱动器就能解决问题。

4、栅极驱动芯片为什么能够驱动功率MOS管。

我们以EG27517这颗芯片举例，框图如下：

典型应用如下：

芯片规格书指标如下，可以看出，输入逻辑电平，高电平大于2.5V就可以，因此3.3V供电的MCU就可以使用这款栅极驱动器。输入电流100uA，也远低于MCU的拉电流。

IO的驱动能力为±4A，可以直接驱动功率MOS管。

总结：

1.通用MCU的GPIO驱动能力有限，只能驱动小信号MOS管。

2.大功率MOS管具有更大的输入电容，如果用MCU直接驱动，会导致MCU驱动栅极电压充电时间更长，上升电压斜率变缓，MOS管热损耗变大，严重时会导致MOS管烧毁。

3.大功率的PMOS管比NMOS成本更高，在大功率MOS驱动电路里，通常只采用NMOS。

4.通过加栅极驱动芯片，可以解决MCU不能直接驱动大功率MOS管的问题。