使用NMOS升級(jí)外設(shè)驅(qū)動(dòng)的更好方式

1.前言

我們的世界正在變得自動(dòng)化。我們看到了在日常生活中實(shí)現(xiàn)更多自動(dòng)化的強(qiáng)大舉措，從更智能的家居（空調(diào)、照明和白色家電）到更輕松、更好的汽車旅行。這需要大量的處理器和邏輯器件！但是邏輯是如何控制所有這些電機(jī)、LED 和繼電器的呢？外設(shè)、電機(jī)和低側(cè)驅(qū)動(dòng)器是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的組成部分。我們可能已經(jīng)知道在大多數(shù)應(yīng)用中使用的非常標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器，即達(dá)林頓晶體管。但是當(dāng)我們努力構(gòu)建創(chuàng)新的、更好的解決方案時(shí)，我感到不得不問(wèn)：我們?nèi)绾尾拍苁箻?biāo)準(zhǔn)更好？

2.標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序是什么樣的？

當(dāng)今最簡(jiǎn)單但最常見的外設(shè)驅(qū)動(dòng)器是達(dá)林頓晶體管陣列。這種低端驅(qū)動(dòng)器使邏輯設(shè)備能夠驅(qū)動(dòng)或控制具有更高功率需求的設(shè)備（如圖 1 所示）：

圖 1：達(dá)林頓低側(cè)驅(qū)動(dòng)器

在當(dāng)前系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員使用由多個(gè)達(dá)林頓對(duì)組成的陣列來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)。

達(dá)林頓電路有四種接法：NPN+NPN，PNP+PNP，NPN+PNP,PNP+NPN.
前二種是同極性接法，后二種是異極性接法。NPN+NPN的同極性接法：B1為B，C1C2為C，E1B2接在一起，那么E2為E。這里也說(shuō)一下異極性接法。以NPN+PNP為例。設(shè)前一三極管T1的三極為C1B1E1，后一三極管T2的三極為C2B2E2。達(dá)林頓管的接法應(yīng)為：C1B2應(yīng)接一起，E1C2應(yīng)接一起。等效三極管CBE的管腳，C=E2,B=B1，E=E1(即C2）。等效三極管極性，和前一三極管相同。即為NPN型。 　　PNP+NPN的接法和此類同。 　　如下圖所示，兩級(jí)放大器元件同為NPN型晶體管，將前級(jí)晶體管的射極電流直接引入下一級(jí)的基極，當(dāng)作下級(jí)的輸入?！竿瑯O型達(dá)林頓」連接,是使用相同類型的晶體管.而「異極型達(dá)林頓」連接，是使用NPN和PNP晶體管相互串接達(dá)成達(dá)林頓的特性。 

這種類型的系統(tǒng)通常允許具有 TTL 或 5V CMOS 的邏輯設(shè)備以每通道高達(dá) 50V 和 500mA 的電流驅(qū)動(dòng)設(shè)備。每當(dāng)電流需求過(guò)高而無(wú)法驅(qū)動(dòng)單個(gè)通道時(shí)，并聯(lián)通道有助于均勻分配電流負(fù)載（如圖 2 所示）。

圖 2：達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)器

但是，使用這種類型的架構(gòu)有其自身的權(quán)衡和限制。最大的問(wèn)題之一是在外圍驅(qū)動(dòng)器的大多數(shù)（如果不是全部）通道過(guò)載時(shí)增加電路板尺寸。這就需要使用額外的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)在這些驅(qū)動(dòng)程序之間分配當(dāng)前的需求。另一個(gè)挫折是該設(shè)備增加了系統(tǒng)的功耗。由于堆疊的 NPN 晶體管，該器件輸出低側(cè)的電壓增加了約 0.7V。該系統(tǒng)的耗散功率現(xiàn)在看起來(lái)像：

PD = VOL * IO

PD = (~ 0.7V + 2Ω*I O ) * I o

3.如何讓標(biāo)準(zhǔn)更好？

這些權(quán)衡的一種解決方案是使用NMOS晶體管 而不是達(dá)林頓對(duì)。MOS英文全稱為N-Metal-Oxide-Semiconductor。 意思為N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體，而擁有這種結(jié)構(gòu)的晶體管我們稱之為NMOS晶體管。 MOS晶體管有P型MOS管和N型MOS管之分。

① vGS=0 的情況

增強(qiáng)型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵——源電壓vGS=0時(shí)，即使加上漏——源電壓vDS，而且不論vDS的極性如何，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏——源極間沒有導(dǎo)電溝道，所以這時(shí)漏極電流iD≈0。

② vGS>0 的情況

若vGS>0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。電場(chǎng)方向垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)能排斥空穴而吸引電子。

排斥空穴：使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動(dòng)的受主離子(負(fù)離子)，形成耗盡層。吸引電子：將 P型襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表面。

這種低端驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)降低了功耗，可以支持所有 GPIO 電平的輸入，從 1.8V 到 5V。

圖 3：NMOS 低側(cè)驅(qū)動(dòng)器

這種配置允許我們以與達(dá)林頓對(duì)相同的方式驅(qū)動(dòng)外設(shè)，功耗顯著降低：

PD = VOL * IO

PD =（2Ω* I ?）* I ?

TI 的新型外設(shè)驅(qū)動(dòng)器TPL7407L 是一個(gè)七通道 NMOS 低側(cè)驅(qū)動(dòng)器陣列，可復(fù)制此架構(gòu)。該器件允許我們替換任何標(biāo)準(zhǔn)的基于達(dá)林頓的七通道驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)保持低于標(biāo)準(zhǔn)解決方案的功耗。該器件還具有更高的電流支持，允許將更高的電流需求分配到單個(gè)通道或比標(biāo)準(zhǔn)器件更少的通道。

圖 4：7CH NMOS 低側(cè)驅(qū)動(dòng)器

外圍驅(qū)動(dòng)在高壓應(yīng)用中大量使用，例如白色家電、暖通空調(diào)、汽車和樓宇自動(dòng)化。如果我們擁有或正在設(shè)計(jì)一個(gè)使用達(dá)林頓晶體管陣列作為外圍驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)，則無(wú)需對(duì)該設(shè)備進(jìn)行大量重新設(shè)計(jì)即可改進(jìn)我們的系統(tǒng)。這個(gè)簡(jiǎn)單的更改可以將我們的設(shè)計(jì)提升到一個(gè)全新的水平，并使我們的系統(tǒng)變得更好！