非常見問題解答第224期：熱插拔控制器中的寄生振蕩

問題

我按照數據手冊在原理圖中使用了10 Ω柵極電阻，但在啟動期間仍有振鈴。我的熱插拔控制器電路為何會振蕩？

回答

使用高端N溝道MOSFET開關的熱插拔器件在啟動和限流期間可能會發生振蕩。雖然這不是新問題，但數據手冊通常缺少解決方案的詳細信息。如果不了解基本原理，只是添加一個小柵極電阻進行簡單修復，可能會導致電路布局容易產生振蕩。本文旨在解釋寄生振蕩的理論，并為正確實施解決方案提供指導。

簡介

使用高端N溝道MOSFET (NFET)的熱插拔控制器、浪涌抑制器、電子保險絲 和理想二極管控制器，在啟動和電壓/電流調節期間可能會發生振蕩。數據手冊通常會簡要提到這個問題，并建議添加一個小柵極電阻來解決。然而，如果不清楚振蕩的根本原因，設計人員就可能難以在布局中妥善放置柵極電阻，使電路容易受到振蕩的影響。本文將討論寄生振蕩的原理，以幫助設計人員避免不必要的電路板修改。

最初，添加柵極電阻可能沒什么必要，因為看起來NFET柵極的電阻為無窮大。用戶可能會忽略這個步驟，并且不會出現問題，進而會質疑柵極電阻是否有必要。但10 Ω柵極電阻可以有效抑制柵極節點上振鈴。柵極節點含有諧振電路的元件，包括柵極走線本身。較長PCB走線會將寄生電感和分布電容引入附近的接地平面，從而形成通向地的高頻路徑。針對高安全工作區(SOA)優化的功率FET具有數納法拉的柵極電容，為增加電流處理能力而并聯更多FET時，此問題會加劇。用于鉗位FET的V_GS的齊納二極管也會帶來寄生電容，不過功率FET的C_ISS影響較大。

圖1為帶寄生效應的通用PowerPath?控制器

圖1 通用PowerPath控制器

旋轉電路后（見圖2），其與Colpitts振蕩器的相似性就非常明顯了（見圖3）。這是一個具有附加增益的諧振電路，能夠產生持續振蕩，使用N溝道FET的PowerPath控制器可能會采用這種配置。

圖2 旋轉后的PowerPath控制器

圖3 Colpitts振蕩器

Colpitts振蕩器使用緩沖器通過容性分壓器提供正反饋。在PowerPath控制器中，這是由FET實現的。它處于共漏極/源極跟隨器配置中，因此可充當交流緩沖器，在更高漏極電流下性能更好。容性分壓器頂部的信號被注入分壓器的中間，導致分壓器頂部的信號上升，然后重復這一過程。

振蕩常發生在以下FET未完全導通的情況中：

1.初始啟動期間，當柵極電壓上升且輸出電容充電時。

2.正在調節電流時（如果控制器使用有源限流功能）。

3.正在調節電壓時（如在浪涌抑制器中所見）。

為了驗證開關FET在Colpitts振蕩器拓撲中的作用，我們構建了一個沒有柵極驅動器IC的基本電路（見圖5）。FET的CGS（圖4中未顯示為分立元件）與C2構成分壓器。

圖4 NFET作為Colpitts振蕩器的測試電路

圖5 電路原型

圖6 示波器圖顯示施加直流電時出現振蕩

圖6中觀察到了振蕩，這表明高端NFET開關處于Colpitts拓撲中。

現在我們轉到熱插拔控制器，看看是否進行調整以引起振蕩。演示板用于啟動容性負載測試。在啟動期間，柵極電壓按照設定的dV/dt上升，輸出也隨之上升。根據公式I_INRUSH＝C_LOAD×dV/dt，進入輸出電容的沖擊電流由dV/dt控制。為了提高FET的跨導(g_m)，沖擊電流設置為相對較高的值3 A。測試設置（見圖7）：

■   UV和OV功能禁用。

■   C_TRACE代表走線電容，是10 nF分立陶瓷電容。

■   L_TRACE是150 nH分立電感，位于LT4260的GATE引腳和NFET的柵極之間，代表走線電感。

■   2 mΩ檢測電阻將折返電流限制為10A。

■   68 nF柵極電容將啟動時間延長至數十毫秒，在此期間FET容易受到振蕩的影響。

■   15 mF輸出電容會在啟動期間吸收數安培的沖擊電流，從而提高FET的g_m。

■   12 Ω負載為FET的g_m提供額外電流。

圖7 簡化測試電路

圖8 示波器圖顯示了啟動期間逐漸衰減的振蕩 

注意圖8中的波形，一旦柵極電壓上升到FET的閾值電壓，GATE和OUT波形就出現振鈴，這是由GATE波形突然階躍導致沖擊電流過沖而引起的。隨后振鈴逐漸消退。

為使瞬態振鈴進入連續振蕩狀態，必須增加FET的增益。將V_IN從12 V提升至18 V，負載電流和g_m都會增加。這會將正反饋放大到足以維持振蕩的水平，如圖9中的示波器圖所示。

圖9 示波器圖顯示提高V_IN產生連續振蕩

圖10 添加柵極電阻的演示板測試電路

現在問題已經重現，我們可以實施眾所周知的解決方案：將一個10 Ω柵極電阻與電感串聯（見圖10）。增加柵極電阻后有效抑制了振蕩，使系統能夠平穩啟動（見圖11）。

圖11 示波器圖顯示，添加柵極電阻后，啟動時無振蕩 

回到基本的NFET Colpitts振蕩器，引入可切換柵極電阻后，可觀察到R_GATE的阻尼效應（見圖12）。當從0 Ω逐步增至10 Ω時，振蕩會衰減，如圖13所示。

圖12 基本NFET Colpitts振蕩器，添加了可切換R_GATE

圖13 示波器圖顯示，隨著R_GATE逐步增加，振蕩逐漸消失

結論

本文介紹了寄生FET振蕩的理論，通過工作臺實驗驗證了Colpitts模型，在演示板上再現了振蕩問題，并使用大家熟悉的解決方案解決了該問題。將10 Ω柵極電阻盡可能靠近FET柵極引腳放置，可將PCB走線的寄生電感與FET的輸入電容分開。只需一個表貼電阻就能消除柵極振鈴或振蕩的可能性，用戶不再需要耗時費力地排除故障和重新設計電路板。

作者簡介

Aaron Shapiro于2019年加入ADI公司，從事熱插拔控制器產品工作。他曾就讀于美國加州州立大學薩克拉曼多分校，主修模擬電子學，獲電氣工程學士學位。