完整教程:设计一款小巧但强大的传感器
出处:EEWorld 发布于:2022-08-04 17:02:47
推文一开始就讲到:只要问任何经验丰富的电气工程师——如我们今天故事里的教授 Gureux ——在 MOSFET 栅极前要放什么,你很可能会听到“一个约 100 Ω 的电阻”。
虽然我们对这个问题的答案非常肯定,但你们或许会继续问——“为什么呢?他的具体作用是什么呢?电阻值为什么是 100 Ω 呢”
年轻教授Neubean怀着好奇心对于通常在MOSFET栅极串联100Ω电阻做法进行了实验研究,并得出了一个结论可以安抚自身疑问的心灵,但是感觉他终还是没有真正抓住问题所在。
我们知道,MOSFET器件是电压控制器件,与双极性不同的是,MOSFET管的导通只需要控制栅极的电压超过其开启阈值电压即可,不需要栅极电流。所以本质上,MOS管工作室栅极上无需串联任何电阻。
如果对于MOS管,由于它的栅极相对于漏极和源极是绝缘的,所以栅极上无需串联电阻进行限流。
相反,考虑到MOS管栅极存在的寄生电容,为了加快MOS管导通和截止的速度,降低MOS管在导通和截止过程中的损耗,它的栅极上的等效电阻应该越小越好,为0。
下面给出网络上随便找到几个MOS管电路,可以看到红色圆圈中表示出它们的栅极都有串联的电阻。
、
这和推文“Why 100Ω? 较真的教授发现简单结论背后不简单的问题”中Neubean教授实验讨论的情形相似,只是Neubean教授更狠,他在讨论中将MOS栅极串联电阻增大到1MΩ,并通过仿真发现增大栅极电阻在他的电路中反而会引起输出不稳定。所以栅极串联电阻越小越好。如下是Neubean的电路。
关于MOS管栅极串联电阻,特别是对工作在开关状态的MOSFET栅极串联电阻的作用,通常的解释是为了防止MOSFET开关过程中产生震荡波形,这不仅会增加MOSFET开关损耗,如果震荡过大,还会引起MOS管被击穿。
如下是对该现象所做的仿真实验。下面电路中,的MOS管栅极串联有电阻R3,它的漏极负载是一个负载,同时还包括有10nH的线路分布电感
实验中,对R3分别取1欧姆,10欧姆,50欧姆进行仿真实验,可以看到当R3为1欧姆的时候,在输出电压Vds上有高频震荡信号。
当R3增加到10欧姆的时候,输出Vds的高频震荡信号明显被衰减了。
当R3增加到50欧姆的的时候,Vds的上升沿变得比较缓慢了。在它的栅极电压上,也明显出现因为漏极-栅极之间的Miller电容效应所引起的台阶。此时对应的MOS管的功耗就大大增加了。
然而上面的仿真电路还没有揭示出栅极电阻所起的的真正作用。下图是在英飞凌半导体工作给出的功率MOS管栅极串联电阻对于消除开关震荡所起到的真正作用。
在MOS管的栅极串联电阻Rg,可以增大MOS管驱动回路中的损耗,降低谐振回路的Q值,使得电感,电容谐振现象尽快衰减。
这其中存在一个串联电阻Rg,使得驱动回路恰好处在临界阻尼状态,此时MOS管驱动信号处在小的震荡和快速开关状态的折中。因此,Rg应该与MOSFET驱动回路的分布电感和它的杂散电容有关。因此它不是一个固定值,需要根据实验来确定。
,虽然Neubean证明了他的电路中的MOS管栅极串联电阻越小越好,但当讨论到一定取100欧姆的时候,Neubean的导师Gureux教授就不应该那么自信了。
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