MOSFET驱动电路栅极电阻的阻值如何计算？有三大因素要考虑，1400字搞定它

Part 01、前言

我们在设计MOSFET驱动电路时一般会在MOSEFT栅极串联一个电阻，有放10Ω的，有放20Ω的，那栅极为什么需要串联一个电阻？电阻的阻值又该如何选取呢？今天就来分析一下吧。

Part 02、MOSFET栅极串联电阻的原因以及阻值计算

1.限制充放电电流

MOSFET栅极寄生电容在电平转换时需要充放电，直接驱动可能会引起瞬间的高峰电流。串联电阻可以限制这一充放电电流，保护驱动电路不受大电流冲击，避免因过大电流导致的器件损坏，如何我们用驱动器驱动MOSFET时一般不需要担心，但是有时候我们驱动小信号MOSFET时，可能会直接用MCU IO口驱动MOSFET，此时就需要注意了。

我们以MCU为例，MCU IO口最大输出电流可以通过规格书获取，一般是最大100mA，如果是5V输出的MCU，MCU IO口输出瞬间，MOSFET GS寄生电容相当短路，对应的限流电阻阻值可以估算如下：R=V/I=5V/100mA=50Ω限流电阻不得低于50Ω.

关于MCU中的最大输出电流Latch-up电流这里多说两句，Latch-up电流又叫闩锁电流，是指在某些异常条件下，例如过电压、ESD 冲击、瞬态噪声等触发芯片内部寄生的双极性晶体管结构，通常是PNPN结构，形成一个低阻抗的通路，使得电源与地之间短路，导致异常大电流流过芯片。如果这种状态持续存在而电流得不到有效限制，就可能引起芯片过热、功能失常，甚至永久性损坏。为了避免因闩锁引起的MCU IO损坏，设计时一般会串联一个电阻。

2.抑制栅极振荡

在实际电路中，除了MOSFET的栅极电容，还存在导线寄生电感。当快速开关信号作用于这种R-C-L网络时，可能会引发MOSEFT栅极驱动波形振荡也就是我们常说的ringing振铃波形，这不仅影响开关过程的稳定性，还可能产生电磁干扰。串联电阻可以为该网络提供适当的阻尼，从而抑制振荡，减少过冲和尖峰现象。

一般来说，我们可以将栅极电路近似看成一个串联的 RLC 电路，其中电路的固有谐振频率为：

Ceff：有效的栅极电容（包括MOSFET本身的栅极电容和Miller效应等因素），我们可以用MOSFET的栅极电容Ciss来代替

Leff：包括PCB走线，封装等带来的寄生电感，这个参数一般很难获取，有两种方法解决，一种是拿实际的板子去更换不容Rg阻值试，另外一种就是基于具体的振铃波形去计算，内容比较多，在此不做展开了。

为了抑制振铃，通常希望将该RLC回路设计成临界阻尼或接近过阻尼状态。对于一个标准的二阶系统，其阻尼比为:

Rgate：串联在栅极的电阻，用于阻尼。

当ζ=1时，对应临界阻尼;

当ζ>1时，为过阻尼状态（振铃完全消失，但响应速度可能较慢）；

当ζ<1时，为欠阻尼状态，可能会有明显振铃。

所以我们的目标就是ζ≥1，那么栅极串联电阻的阻值至少不能小于：

比如寄生电感Leff=20nH，栅极电容Ceff=1nF，那么临界阻尼时的电阻为：

因此，选择大约9Ω以及以上阻值的栅极串联电阻可以使电路达到临界阻尼效果，较好地抑制振铃。

3.控制开关速度

通过调整串联电阻的阻值，可以控制栅极电容的充放电速率，也就间接控制了MOSFET的开关速度。适当的开关速度可以降低开关损耗和电磁干扰，同时也减少在开关过程中由于寄生效应引起的不稳定现象。

从MOSFET数据手册中获取总栅极电荷Qg，通常在某一驱动电压Vdrive下给出。根据应用对MOSFET开关速度的要求确定上升/下降时间，例如，设定上升时间trise。需要注意，实际的上升时间可能受到Miller效应的影响，所以这个时间常数只是一个近似值。

计算栅极电阻：

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