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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

02/10 15:27
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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

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。

ζ=1时,对应临界阻尼;

ζ>1时,为过阻尼状态(振铃完全消失,但响应速度可能较慢);

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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