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【电子通用硬件】MOS管振铃现象 什么是振铃?

在开关电路、驱动电路中,老工程师会在MOSFET栅极前放个100Ω电阻;

说实话很多伙伴并不喜欢,因为会影响效率,但是不加又很容易振荡,简直又爱又恨。那这个电阻到底有什么用?

1,什么是振铃

用MOS管作为电子开关电路如下:

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单片机输出的PWM波形应该是规整的方波信号。但实际上确出现了下图的不稳定波形。这种上升沿和下降沿出现的不同程度的一小段震荡就叫做MOS管的振铃。

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如果振铃的峰值超过G端耐压,GS之间就会被击穿,MOS管就会坏掉。要判断振铃峰值是否会击穿MOS管,需要查看下图所示手册内容中的VGS

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上图所示型号的MOS管G与S之间最大电压为20V,超过这个电压就容易造成MOS管损坏 

 

2,MOS 管振铃现象如何产生

第一种来源就是LC振荡电路:

振铃的产生有点像LC振荡。要形成LC振荡必须满足三个条件:电容 电感 电源

MOS管的极间是存在寄生电容的;

驱动芯片到MOS管的走线存在寄生电感,并且MOS管的内部引线也会有寄生电感;

电容就是G和S之间的pF级别的小电容(寄生电容);

电源是IO口输出PWM波,PWM波上升沿期间,电容会被充电,下降沿期间,电容会放电。

电感:我们知道多匝线圈的电感值大,而电路一定是有回路的,这个回路就可以看成是一匝线圈,这种电感就叫做寄生电感或者是杂散电感,它分布在电路里的各个地方;

这样,有电容有电感有电源,LC振荡回路就构成了。 

因此MOS管的开关电路就等效于一个LC低通滤波电路,  其输出与输入的比值,就是增益——当增益大于1时,噪声就被放大了。

它的谐振频率点附近会产生较高的增益,如果没有一个电阻引入,增益就会等于无穷大。

而驱动信号又是频率分量非常丰富的阶跃信号,必定有谐振频率点附近的信号,因此容易产生谐振,继而产生振荡。

电阻的存在就是用来提供一个阻尼,吸收这样的振荡信号,串接电阻的阻值增大,谐振频率点增益就会减小。一般阻值在10Ω左右即可,公式Rg>2(L/Cgs)^0.5。

 

 

3,如何减小振铃现象

1. 减小杂散电感:PCB布线时减小环路面积和环路周长。为了缩短周长,要让驱动电路尽量靠近MOS管
2. 在GS两端并联TVS(瞬变电压抑制二极管),将电压限制在安全范围内
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 3.第三个措施就是加R2一样的小电阻,消耗振荡的能量,电阻越大振幅越小 。但并不是越大越好,这会导致MOS管发热(参考MOS管发热原因一文)    

第一是限制驱动电流,防止驱动电流过大,避免驱动芯片会因为驱动能力不足损坏。

上期我们说过MOS管的开启,是对各个电容进行充电,在充电的瞬间电容相当于短路,并且电流 非常大,驱动芯片无法承接这么大的电流,所以这个电阻就起到了一个限流与保护作用。

但是, 电阻阻值不能太大, 太大的话MOS管的导通时间和关断时间会变长,这样开关损耗就会增加了。

第二个就是开头讲的它可以消除MOS管栅极的振荡信号。

4,PCB 布局建议

那么,PCB 布局时,电阻的位置应该是在驱动端还是MOS管端呢?

在一些小功率MOS管电路,驱动端还是MOS管端其实都可以。

但是对于大功率的MOS管开关电路,由于关断时MOS管容易受到串扰,可能会产生误操作,因此一般放在MOS管端。

这里简单说下:

很多时候我们见到的开关电源与驱动电路,大部分栅极串联电阻是放在MOS管端的。

这时候我们需要考虑到阻抗匹配,需要将信号看作高速信号(高速信号:信号的上升沿小于6倍的传输延时。)

不过一般情况下,栅极走线长度不会超过10cm,驱动电路的上升时间不会很小,因此不需要考虑成高速信号,也就不必放置到靠近源端IC。

那么放置靠近MOS管有什么好处?

上图的设置,对MOS管栅极而言,收取的信号并没有太大区别。

这是因为电感和电阻始终串联,如果将其看成一个整体,阻抗就是R+jwL,这对电路而言是完全相同的。

部分图片与资料来源于网络

以上就是今天的全部内容,感谢您的阅读!VBsemi小编持续更新~

 

参考资料:

1. 资料1:

https://zhuanlan.zhihu.com/p/688852568

作者:VBsemi

 

2. 资料2:

https://www.sohu.com/a/365942725_100281310

 

3. 资料3

MOS管振铃现象 电路一点通

https://mp.weixin.qq.com/s/VyNCJvZtoud4vNKyt6T75Q

 

 

http://www.jsqmd.com/news/741150/

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