Tại sao (không) đặt một điện trở trên cổng FET?

Trong khi nghĩ cách bảo vệ MOSFET, một ý tưởng là đặt một điện trở cực cao trước cổng: Ý tưởng là dòng điện không bao giờ được cho là chảy qua cổng, vì vậy nếu một số người đe dọa thoáng qua cổng, thì sự kháng cự sẽ hạn chế điều đó hiện tại, có thể ngăn FET cháy hết.

Trên thực tế, trong khi nghiên cứu bảo vệ MOSFET, tôi đã bắt gặp sản phẩm được bảo vệ toàn diện này bao gồm các tính năng "kháng cổng loạt bên trong", như thể hiện trên sơ đồ của nó:

Nếu ý tưởng này là chính xác, thì câu hỏi là: Tại sao không luôn đặt điện trở megaohm trước cổng của bất kỳ FET nào?

Hoặc có một lý do thực tế rằng một điện trở cổng thường không bảo vệ FET? Hoặc thậm chí nó có thể có bất kỳ hiệu ứng bất lợi?

Nguồn cổng về cơ bản là một tụ điện. Vì vậy, với điện trở cao này, sẽ mất một thời gian rất dài để sạc. MOSFET sẽ chỉ bật khi tụ cổng được sạc trên một mức nào đó (điện áp ngưỡng), do đó bạn sẽ có chuyển mạch rất chậm.

Lý do trình điều khiển cổng thường được sử dụng là vì chúng có thể sạc nhanh tụ điện cổng (thường sử dụng dòng điện trên 1A) để thời gian chuyển mạch có thể được giảm thiểu.

Bạn có thể đọc thêm ở đây .

Các điện trở lớn trên cổng làm chậm quá trình chuyển đổi MOSFET. Điều này ổn khi bạn đang sử dụng MOSFET làm công tắc (BẬT-TẮT) nhưng khi bạn đang lái xe máy ở tần số 20kHZ trở lên, việc chuyển đổi phải nhanh để giảm thiểu tổn thất nhiệt (chuyển nhanh hơn có nghĩa là mất ít điện năng hơn). Lưu ý rằng điện trở bạn nhìn thấy ở cổng không nhằm mục đích chỉ bảo vệ MOSFET ... nó cũng bảo vệ mọi thứ đang điều khiển MOSFET (ví dụ: vi điều khiển). Dòng điện quá mức có thể vội vàng và làm hỏng chân I / O.

Như Darko đã nói, MOSFET là một tụ điện khi bạn nhìn vào nó từ phía cổng. Điện tích cần thiết cho tụ điện này để sạc đầy được gọi là điện tích cổng (bạn có thể tìm thấy nó trong biểu dữ liệu). Sau khi được sạc, điện trở của MOSFET (RDS) giảm xuống mức tối thiểu. Vì vậy, bạn có thể hiểu rằng cố gắng lái pin này mà không có điện trở nối tiếp có nghĩa là dòng điện cao sẽ bị chìm / nguồn bởi trình điều khiển (giống như dòng điện khởi động khi sạc tụ điện).

$\Omega$

Điều này thực tế thực sự làm chậm quá trình chuyển đổi khi phí cổng cao, chẳng hạn như thời gian tắt tối thiểu 1.6ms với tải 15V 1.5A. Thời gian chuyển đổi không đối xứng ngụ ý rằng họ thực sự có thể có một diode trên điện trở để tăng tốc thời gian 'bật'. Các diode sẽ được phân cực ngược khi kẹp, như được giải thích dưới đây.

Một điện trở giá trị lớn sẽ không có khả năng bảo vệ cổng dù sao, đó là sự cố vĩnh viễn và hư hỏng cách điện xảy ra, không giống như sự cố diode. Đó là lý do tại sao điốt zener ESD nằm trên đầu cổng, để ngăn chặn điện áp nguồn cổng quá mức.

Vì vậy, tại sao đặt bất kỳ điện trở ở tất cả trong đó bạn yêu cầu? Vâng, do đó, các zener khác (Quá điện áp) có thể làm việc của họ. Hãy tưởng tượng trường hợp xấu nhất và chúng tôi rút ngắn cổng dẫn đến nguồn, và sau đó tăng mạnh điện áp trên cống (thông qua một số tải bên ngoài) để chờ sự cố DS. Khi dòng điện qua điốt zener vượt quá một số mA, MOSFET sẽ bật và kẹp quá điện áp.

Dù sao thì MOS MOS công suất thường không nhạy cảm lắm với ESD, vì điện dung cổng lớn. Cổng thực sự bị hỏng ở mức 50V-100V thông thường nên rất nhiều năng lượng phải đến cổng. Các MOSFET nhỏ như RF MOSFET rất nhạy cảm với ESD. Tuy nhiên, mô hình cơ thể người điển hình của ESD là đủ để làm hỏng ngay cả một cổng MOSFET công suất lớn vừa phải.

Có một lý do khác để đặt một điện trở nối tiếp trước cổng MOSFET - cố tình làm chậm quá trình chuyển đổi. Điều này giúp giảm thiểu tốc độ quay trong mạch và do đó có thể giảm phát xạ được tiến hành và bức xạ, có thể là một kỹ thuật EMC hữu ích.

Tuy nhiên, rõ ràng đó hoàn toàn không phải là những gì điện trở hiển thị được đưa vào - như những người khác đã lưu ý, đó là để giữ cho Zeners kẹp trong khu vực hoạt động an toàn. Ngoài ra, lưu ý rằng làm chậm các cạnh chuyển đổi có tác động tiêu cực (tăng tổn thất nhiệt khi các cạnh chuyển đổi là một) đối với hiệu suất của mạch - vì vậy việc sử dụng kỹ thuật này là một sự thỏa hiệp.

Một điện trở loạt cổng có thể được sử dụng nếu một diode zener cũng được sử dụng để giới hạn điện áp nguồn cổng nhỏ hơn định mức VSS của MOSFET. Xếp hạng điển hình là 20V, và zener 10V hoặc 15V sẽ được sử dụng.

Để bật / tắt nhanh, một tụ điện nhỏ có thể được đặt song song với điện trở. Giả sử các tụ điện ban đầu được xả. Khi bạn bật dòng điện FET sẽ chảy qua tụ điện và sẽ có sự phân chia điện tích gần như tức thời giữa tụ điện và điện dung đầu vào của FET. FET sẽ bật ngay lập tức. Tốc độ bật của bạn sẽ gần giống với những gì sẽ xảy ra nếu tụ điện bị chập trong thời gian cạnh của dạng sóng ổ đĩa cổng. Hiệu ứng tương tự hoạt động tại doanh thu.

Bộ phận thu phí cổng hoạt động như sau. Giả sử điện áp cổng và điện áp trên tụ ban đầu là 0 sau đó bật ...

V_c = Qg / C_drive Vss
= V_drive - V_c_drive

V_drive là điện áp ổ đĩa cổng.
Qg là tổng phí cổng được liệt kê trong biểu dữ liệu FET cho Vss = V_drive
C_drive đã cho là tụ điện song song với điện trở ổ đĩa.
Vss là điện áp nguồn cổng FET.
V_c_drive là điện áp trên C_drive sau khi chuyển đổi.

Ví dụ: nếu bạn lái FET qua tụ điện 10nF với tín hiệu ổ đĩa 10V và tổng điện tích cổng là 1nC tại Vss = 10V thì tụ điện sẽ sạc tới ...

V_c_drive = 1nC / 10nF = 0.1V Vss
= 10V - 0.1 V = 9,9V

Lưu ý rằng đây tất nhiên là một xấp xỉ vì Vss không phải là 10V nên Qg thực sự ít hơn một chút so với giả định.

Tác dụng của điện trở cổng song song là luôn có xu hướng tạo ra điện áp trên tụ 0V. Vì vậy, sau khi chuyển đổi, điện áp tụ sẽ từ từ giảm từ 0,1V xuống 0V với tốc độ không đổi thời gian R * C. Trong một chu kỳ tắt, điện tích sẽ phân chia theo cách khác để điện áp tụ cuối cùng sẽ là -0.1V khi được đo cùng hướng được sử dụng khi bật.

Lưu ý rằng bạn không cần đợi tụ điện xả trước khi tắt FET. Nếu bạn bật FET và sau đó tắt ngay bộ phận sạc khi tắt sẽ chính xác hủy bỏ những gì đã xảy ra trong khi bật và điện áp tụ sẽ gần 0 ở cuối chu kỳ.

Giá trị tụ điện phải đủ lớn để tổng điện tích cổng của FET ở điện áp ổ đĩa mong muốn chỉ mang lại một điện áp tụ nhỏ, nhưng đủ nhỏ để nó không cho nhiều năng lượng nhất thời đi qua. Thông thường, bạn nên có C_drive> Qg / 1V.

Lượng điện trở bạn có thể sử dụng tùy thuộc vào dòng rò cổng trường hợp xấu nhất trong biểu dữ liệu MOSFET cũng như rò rỉ zener của bạn. Điểm quan trọng là tổng số lần rò rỉ điện trở sê-ri phải nhỏ hơn nhiều so với điện áp ngưỡng MOSFET theo nhiệt độ.

Ví dụ: nếu điện áp ngưỡng FET của bạn là 3V thì R * rò_cản phải nhỏ hơn 3V. Vấn đề là ngăn chặn rò rỉ áp đảo điện trở và tạo ra một thiên vị DC giữ cho FET bật hoặc tắt không đúng lúc.

Hầu hết các FET liệt kê một rò rỉ cổng dưới 1uA max trong biểu dữ liệu của họ. Hầu hết các zener rò rỉ một số uA và rò rỉ tăng theo cấp số nhân theo nhiệt độ. Vì vậy, zener chiếm phần lớn rò rỉ cổng. Vì vậy, theo tôi, 100K hoặc 10K có lẽ phù hợp hơn 1MEG.