一般電源應用的低側驅動與高側驅動技術
MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）是一種在現代電子電路中廣泛使用的半導體元件。在電力電子與切換控制應用中，MOSFET 以其高速切換、高效率、低導通損耗的特性而被大量採用。然而，要獲得最佳效能，MOSFET 必須根據其在電路中的位置與系統需求，採用合適的驅動方法。
在多種驅動拓撲中，「低側驅動」與「高側驅動」是最常見的方式，廣泛應用於一般電源控制，例如 DC-DC 轉換器、LED 調光電路、以及電池供電系統。
1. 低側驅動（Low-Side Drive）
在低側驅動配置中，N-MOSFET 位於負載與地端之間（負載在上，MOSFET 在下）。
MOSFET 的閘極由 MCU 或驅動器輸出電壓直接控制。
此拓撲適合以下應用：
- LED 調光
- 馬達啟動
- 一般開關控制
- 電源管理
- 多數 PWM 控制應用（如 Buck 降壓轉換器）
優點
- 驅動電路簡單，可直接由 MCU 控制
- 切換速度快
- N-MOSFET 成本低且具低導通阻抗 RDS(on)
限制
- 地端電流尖峰可能影響訊號品質（需進行地端隔離與濾波）
- 不適合高側電源切換
設計考量
MOSFET 選擇
- 確保閘極閾值電壓（Vth）低於驅動電壓，以保證完全導通
- 選擇低 RDS(on) 的型號以降低功率損耗與熱量產生
驅動電壓與電流
- 驅動電壓需足以完全打開 MOSFET
- 適當的閘極電阻能控制切換速度、降低 EMI、避免閘極振盪
下拉電阻（Pull-down Resistor）
- 於閘極加入下拉電阻可避免誤觸發，使驅動器關閉時 MOSFET 保持關閉
PCB 佈局與接地
- 最小化迴路面積以降低 EMI
- 驅動器與 MOSFET 的接地應良好連接，避免地電位差造成問題
範例
UCCx732x 低側驅動電路示例
TI 的 UCC27324 高速雙路 MOSFET Driver 用於高速切換應用，可提供高達 4A 的峰值灌/拉電流。
輸出級亦可並聯以提高單通道驅動能力。
** UCC27324DR PCB Layout 技巧**
- 雙層 PCB 上，閘極驅動線（紅色）與回流路徑（藍色）上下對齊，減少迴路面積
- 電源旁路電容應靠近驅動器，並以兩個大小不同的電容並聯：小電容負責高頻瞬態
- 使用雙過孔降低回流路徑阻抗與寄生電感
- 保持所有訊號與回流路徑迴路最小化，有助降低 EMI
技巧提示（Tech Tip）
PCB 迴路面積與 RF 天線理論密切相關：迴路越大，越像天線，輻射 EMI 越強。因此減少迴路面積是高頻開關電路抑制 EMI 的最有效方法之一。
2. 高側驅動（High-Side Drive）
高側驅動中，MOSFET 位於電源與負載之間（負載在下、MOSFET 在上），通常使用：
- P-MOSFET，或
- 具備 Bootstrapping 的 N-MOSFET 驅動器
適用於：
- 電池正端開關
- 電源管理
- H-Bridge / Half-Bridge / Full-Bridge 驅動
優點
- 能對正電源端進行切換控制
- 停用時讓負載地端浮離，提升安全性
- 適用於鋰電池切換、反接保護等應用
限制
- P-MOSFET RDS(on) 較高、性能略差
- 高側 N-MOSFET 需 Bootstrap 或 Charge Pump
- 驅動電路較複雜
設計考量
驅動電壓要求
高側 N-MOSFET 的 source 電壓會隨負載上升，閘極需比 source 高約 10V 才能完全導通。
Bootstrap 電路通常用來產生此高側驅動電壓。
限制：Bootstrap 電容需在 MOSFET 關閉期間充電，因此 不適用長時間連續導通的應用。
若需長時間導通或極高可靠性，可使用：
- 光耦隔離
- 變壓器隔離
- 電容隔離
提供穩定的高側驅動電壓。
此外，還可加入過壓、欠壓保護（UVLO）、短路保護，以避免損壞。
PCB Layout
- 盡量減少寄生電容與寄生電感
- 確保訊號完整性，降低 EMI
範例
FAN73711 高側驅動電路示例
onsemi 的 FAN73711 可由 3.3V 或 5V 控制訊號操作，內建：
- Bootstrap 機制
- 欠壓保護（UVLO）
- 短路保護
驅動拓撲比較表
| 驅動拓撲 | 適用情境 | 優點 | 缺點 | 常見 IC |
|---|---|---|---|---|
| 低側驅動 | 單通道開關、低電壓應用（Buck、LED 調光、電源開關） | 1. 驅動簡單 2. 成本低 3. N-MOSFET 切換快 4. 容易與邏輯電平相容 | 1. 無法切換正電源軌 2. 地端尖峰可能影響訊號 | TI UCCx732x、Microchip MIC4422 |
| 高側驅動 | 高側負載控制、電池切換、馬達驅動（半橋/全橋） | 1. 能切換正電源軌 2. 停用時讓負載地浮離更安全 3. 適合高壓應用 | 1. 需 Bootstrap 或隔離驅動 2. P-MOS RDS(on) 較高 3. 驅動電壓複雜 | Infineon IRS2007、onsemi FAN73711 |
結論
選擇正確的 MOSFET 驅動拓撲對於電源控制系統的效率與穩定性至關重要。
- 低側驅動
適合成本敏感、易於實作、邏輯相容性重要的應用。 - 高側驅動
適合需要切換正電源軌、電池系統、安全斷電需求的情境。
只要採用合適的元件與良好的設計方法，這些基本的驅動拓撲就能成為廣泛電子系統中穩定可靠的核心基礎。
適用的零件編號
| DigiKey 零件編號 | 製造商零件編號 |
|---|---|
| 296-31999-2-ND,296-31999-1-ND,296-31999-6-ND | UCC27324DGNR |
| 296-27156-2-ND,296-27156-1-ND,296-27156-6-ND | UCC27324DR |
| 296-23486-2-ND,296-23486-1-ND,296-23486-6-ND | UCC27324QDRQ1 |
| 296-12533-5-ND | UCC27324P |
| UCC27324DGNRG4-ND | UCC27324DGNRG4 |
| UCC27324DRG4-ND | UCC27324DRG4 |
| 296-UCC27324PE4-ND | UCC27324PE4 |
| UCC27324PG4-ND | UCC27324PG4 |
| UCC27324DG4-ND | UCC27324DG4 |
| UCC27324DGNG4-ND | UCC27324DGNG4 |
| 296-12531-5-ND | UCC27324D |
| 296-12532-5-ND | UCC27324DGN |
| MIC4422AYM-TR-ND,MIC4422AYM-CT-ND,MIC4422AYM-DKR-ND | MIC4422AYM-TR |
| 576-1194-2-ND,576-1194-1-ND,576-1194-6-ND | MIC4422YM-TR |
| 576-1195-ND | MIC4422YN |
| 576-2321-ND | MIC4422ZT |
| 576-2318-ND | MIC4422AYM |
| 576-1793-5-ND | MIC4422ZM |
| 576-2320-ND | MIC4422ZN |
| MIC4422AZM-ND | MIC4422AZM |
| MIC4422ZM-TR-ND,MIC4422ZM-CT-ND,MIC4422ZM-DKR-ND | MIC4422ZM-TR |
| 576-2319-ND | MIC4422AYN |
| MIC4422AZN-ND | MIC4422AZN |
| 576-4475-5-ND | MIC4422YM |
| MIC4422AZT-ND | MIC4422AZT |
| MIC4422CM-TR-ND | MIC4422CM-TR |
| MIC4422ACM-TR-ND | MIC4422ACM-TR |
| MIC4422CM-ND | MIC4422CM |
| MIC4422ABM-TR-ND | MIC4422ABM-TR |
| MIC4422BM-ND | MIC4422BM |
| MIC4422ACM-ND | MIC4422ACM |
| MIC4422ABM-ND | MIC4422ABM |
| MIC4422AAM-TR-ND | MIC4422AAM-TR |
| MIC4422AAM-ND | MIC4422AAM |
| MIC4422AZM-TR-ND | MIC4422AZM-TR |
| MIC4422CTL2-ND | MIC4422CTL2 |
| MIC4422CTL3-ND | MIC4422CTL3 |
| 576-1522-2-ND,576-1522-1-ND,576-1522-6-ND | MIC4422BM TR |
| MIC4422BN-ND | MIC4422BN |
| MIC4422ABN-ND | MIC4422ABN |
| MIC4422ACN-ND | MIC4422ACN |
| MIC4422ACT-ND | MIC4422ACT |
| MIC4422CN-ND | MIC4422CN |
| MIC4422CT-ND | MIC4422CT |
| IRS2007STRPBFTR-ND,IRS2007STRPBFCT-ND,IRS2007STRPBFDKR-ND | IRS2007STRPBF |
| IRS2007SPBF-ND | IRS2007SPBF |
| 448-IRS2007MTRPBFAUMA1TR-ND,448-IRS2007MTRPBFAUMA1CT-ND,448-IRS2007MTRPBFAUMA1DKR-ND | IRS2007MTRPBFAUMA1 |
| FAN73711MXTR-ND,2832-FAN73711MXTR-ND,FAN73711MXCT-ND,FAN73711MXDKR-ND | FAN73711MX |
| FAN73711M-ND | FAN73711M |