【導讀】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。
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 VGS的齊納二極管也會帶來寄生電容，不過功率FET的 CISS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：
初始啟動期間，當柵極電壓上升且輸出電容充電時。
正在調節電流時（如果控制器使用有源限流功能）。
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中觀察到了振蕩，這表明高端NFET開關處于Colpitts拓撲中。
圖6. 示波器圖顯示施加直流電時出現振蕩。
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 IINRUSH = CLOAD × 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 (gm)，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。
CTRACE代表走線電容，是10 nF分立陶瓷電容。
LTRACE 是150 nH分立電感，位于 LTC4260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 gm。
12 Ω負載為FET的 gm提供額外電流。
圖7. 簡化測試電路。
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。
圖8. 示波器圖顯示了啟動期間逐漸衰減的振蕩
為使瞬態振鈴進入連續振蕩狀態，必須增加FET的增益。將 VIN 從12 V提升至18 V，負載電流和 gm 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 VIN產生連續振蕩。
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10. 添加柵極電阻的演示板測試電路。
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 RGATE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 RGATE。
圖13. 示波器圖顯示，隨著 RGATE 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。
文章來源：ADI
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