非常见问题解答第224期：热插拔控制器中的寄生振荡
作者：Aaron Shapiro，产品应用工程师
问题
我按照数据手册在原理图中使用了10 Ω栅极电阻，但在启动期间仍有振铃。我的热插拔控制器电路为何会振荡？
使用高端N沟道MOSFET开关的热插拔器件在启动和限流期间可能会发生振荡。虽然这不是新问题，但数据手册通常缺少解决方案的详细信息。如果不了解基本原理，只是添加一个小栅极电阻进行简单修复，可能会导致电路布局容易产生振荡。本文旨在解释寄生振荡的理论，并为正确实施解决方案提供指导。
简介
使用高端N沟道MOSFET (NFET)的热插拔控制器、浪涌抑制器、电子保险丝 和理想二极管控制器，在启动和电压/电流调节期间可能会发生振荡。数据手册通常会简要提到这个问题，并建议添加一个小栅极电阻来解决。然而，如果不清楚振荡的根本原因，设计人员就可能难以在布局中妥善放置栅极电阻，使电路容易受到振荡的影响。本文将讨论寄生振荡的原理，以帮助设计人员避免不必要的电路板修改。
最初，添加栅极电阻可能没什么必要，因为看起来NFET栅极的电阻为无穷大。用户可能会忽略这个步骤，并且不会出现问题，进而会质疑栅极电阻是否有必要。但10 Ω栅极电阻可以有效抑制栅极节点上振铃。栅极节点含有谐振电路的元件，包括栅极走线本身。较长PCB走线会将寄生电感和分布电容引入附近的接地平面，从而形成通向地的高频路径。针对高安全工作区(SOA)优化的功率FET具有数纳法拉的栅极电容，为增加电流处理能力而并联更多FET时，此问题会加剧。用于钳位FET的VGS的齐纳二极管也会带来寄生电容，不过功率FET的CISS影响较大。
图1为带寄生效应的通用PowerPath™控制器。
图1.通用PowerPath控制器
旋转电路后（见图2），其与Colpitts振荡器的相似性就非常明显了（见图3）。这是一个具有附加增益的谐振电路，能够产生持续振荡，使用N沟道FET的PowerPath控制器可能会采用这种配置。
图2.旋转后的PowerPath控制器。
图3.Colpitts振荡器。
Colpitts振荡器使用缓冲器通过容性分压器提供正反馈。在PowerPath控制器中，这是由FET实现的。它处于共漏极/源极跟随器配置中，因此可充当交流缓冲器，在更高漏极电流下性能更好。容性分压器顶部的信号被注入分压器的中间，导致分压器顶部的信号上升，然后重复这一过程。
振荡常发生在以下FET未完全导通的情况中：
1. 初始启动期间，当栅极电压上升且输出电容充电时。
2. 正在调节电流时（如果控制器使用有源限流功能）。
3. 正在调节电压时（如在浪涌抑制器中所见）。
为了验证开关FET在Colpitts振荡器拓扑中的作用，我们构建了一个没有栅极驱动器IC的基本电路（见图5）。FET的CGS（图4中未显示为分立元件）与C2构成分压器。
图4.NFET作为Colpitts振荡器的测试电路
图5.电路原型
图6.示波器图显示施加直流电时出现振荡
图6中观察到了振荡，这表明高端NFET开关处于Colpitts拓扑中。
现在我们转到热插拔控制器，看看是否进行调整以引起振荡。演示板用于启动容性负载测试。在启动期间，栅极电压按照设定的dV/dt上升，输出也随之上升。根据公式IINRUSH＝CLOAD×dV/dt，进入输出电容的冲击电流由dV/dt控制。为了提高FET的跨导(gm)，冲击电流设置为相对较高的值3 A。测试设置（见图7）：
► UV和OV功能禁用。
► CTRACE代表走线电容，是10 nF分立陶瓷电容。
► LTRACE是150 nH分立电感，位于LT4260的GATE引脚和NFET的栅极之间，代表走线电感。
► 2 mΩ检测电阻将折返电流限制为10A。
► 68 nF栅极电容将启动时间延长至数十毫秒，在此期间FET容易受到振荡的影响。
► 15 mF输出电容会在启动期间吸收数安培的冲击电流，从而提高FET的gm。
► 12 Ω负载为FET的gm提供额外电流。
图7.简化测试电路
图8.示波器图显示了启动期间逐渐衰减的振荡
注意图8中的波形，一旦栅极电压上升到FET的阈值电压，GATE和OUT波形就出现振铃，这是由GATE波形突然阶跃导致冲击电流过冲而引起的。随后振铃逐渐消退。
为使瞬态振铃进入连续振荡状态，必须增加FET的增益。将VIN从12 V提升至18 V，负载电流和gm都会增加。这会将正反馈放大到足以维持振荡的水平，如图9中的示波器图所示。
图9.示波器图显示提高VIN产生连续振荡
图10.添加栅极电阻的演示板测试电路
现在问题已经重现，我们可以实施众所周知的解决方案：将一个10 Ω栅极电阻与电感串联（见图10）。增加栅极电阻后有效抑制了振荡，使系统能够平稳启动（见图11）。
图11.示波器图显示，添加栅极电阻后，启动时无振荡
回到基本的NFET Colpitts振荡器，引入可切换栅极电阻后，可观察到RGATE的阻尼效应（见图12）。当从0 Ω逐步增至10 Ω时，振荡会衰减，如图13所示。
图12.基本NFET Colpitts振荡器，添加了可切换RGATE
图13.示波器图显示，随着RGATE逐步增加，振荡逐渐消失
本文介绍了寄生FET振荡的理论，通过工作台实验验证了Colpitts模型，在演示板上再现了振荡问题，并使用大家熟悉的解决方案解决了该问题。将10 Ω栅极电阻尽可能靠近FET栅极引脚放置，可将PCB走线的寄生电感与FET的输入电容分开。只需一个表贴电阻就能消除栅极振铃或振荡的可能性，用户不再需要耗时费力地排除故障和重新设计电路板。
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作者简介
Aaron Shapiro于2019年加入ADI公司，从事热插拔控制器产品工作。他曾就读于美国加州州立大学萨克拉曼多分校，主修模拟电子学，获电气工程学士学位。
