工作于线性区功率MOSFET（5）：分立负载开关及热插拨设计7步法
时间：2021-12-07 14:28:13
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[导读]完整的分立负载开关及热插拨外围电路，如图1所示，包括如下元件：（1）G极电阻总和RG及其并联快关断二极管D1（2）功率MOSFET的G、S外加电容CGS1（3）G、D外加电容CGD1和电阻RGDRG为G极电阻总和，包括功率MOSFET内部电阻，驱动芯片上拉电阻，外加串联电...
完整的分立负载开关及热插拨外围电路，如图1所示，包括如下元件：
（1）G极电阻总和RG及其并联快关断二极管D1
（2）功率MOSFET的G、S外加电容CGS1
（3）G、D外加电容CGD1和电阻RGD
RG为G极电阻总和，包括功率MOSFET内部电阻，驱动芯片上拉电阻，外加串联电阻RG1。图1：负载开关和热插拨完整外围电路
其中，D1、CGD1和RGD为可选元件，根据电路设计要求决定是否需要外加。
分立负载开关和热插拨的外围电路设计步骤如下：
1、初步选取功率MOSFET
初步选取功率MOSFET的参数包括电压、导通电阻和封装：（1）根据输入电压选取功率MOSFET的耐压（2）根据系统设计的要求选取相应的封装（3）根据稳定工作的损耗限制，选取功率MOSFET的导通电阻（4）根据功率MOSFET在线性区工作的时间和最大电流，选取安全工作区SOA满足要求的功率MOSFET
2、选取外加电容CGD1
根据输出电压上电时间控制精度的要求，确定是否需要外加电容CGD1。如果需要外加电容CGD1，设定外加电容CGD1的值：
CGD1>10Crss
由此选取相应的标准电容值。
3、选取G极外加的电阻RG1
米勒平台区这个阶段的时间也就是dV/dt的时间，栅极电压恒定，流过栅极电阻RG的电流等于流过电容CGD1的电流。根据系统要求的输出电压的上电时间Ton、输出电压Vo、CGD1、VCC和VGP已知，由下面公式计算G极串联总电阻RG：其中，dVDS/dt=Vo/Ton
图2：热插拨起动波形
例如：通信系统-48V的热插拨，要求软起动的时间为15mS，那么：dVDS/dt=Vo/dt=48V/15mS=3.2V/mS
如果没有外加电容CGD1，公式中的CGD1就使用Crss代替，Crss随电压变化，因此最好使用QGD来计算。由RG可以得到G极额外串联的电阻RG1的值，选取相应的标准电阻值。
4、选取外加电容CGS1
开通过程中，阶段1和阶段2的VGS的电压公式相同：阶段1结束的时刻为：阶段1的时间为：阶段2结束的时刻为：阶段2的时间，也就是di/dt的控制时间，这段时间为：
根据系统浪涌电流和di/dt的要求，使用上面公式就可以求出外加的电容CGS1，由此选取相应的标准电容值。不同的CGS1值可以改变过冲的峰值浪涌电流的大小。
5、选取是外加RGD的阻值
根据测试的实际情况，确定电路是否有振荡或功率MOSFET是否有误导通。如果有振荡或误导通，就需要外加RGD。CGD1串联电阻RGD通常选取较小的值，RG>>RGD，阻值取值范围：RGD=1-50mOhm。
功率MOSFET的跨导大，开通过程中，VGS较小的变化都会导致ID急剧的变化，进而导致VDS急剧的变化，瞬态过程中栅极电压容易产生振荡。串联电阻RGD可以抑制回路的瞬态高频电流，形成阻尼振荡从而抑止栅极的高频振荡，减小振荡的幅度。
关断过程中，高的dVDS/dt通过CGD1耦合到栅极形成瞬态的尖峰电压，如果此尖峰电压大于功率MOSFET的阈值电压，会误导通功率MOSFET，串联电阻RGD可以减小功率MOSFET的误导通。
6、选取G极的快关断二极管
根据系统要求，如果需要功率MOSFET快速关断，可以在G极外加电阻的两端关联二极管D1；如果功率MOSFET不需要快速关断，可以不加这个二极管。
7、校核和测量电路
根据所选取的标称元件值，调试电路，校核所有参数是否满足系统要求，同时校核功率MOSFET安全工作区SOA的裕量，保证系统的安全。如果不满足，就要对参数进行调整，然后重复上述步骤2-步骤7。
完整的分立负载开关及热插拨外围电路，如图1所示，包括如下元件：
（1）G极电阻总和RG及其并联快关断二极管D1
（2）功率MOSFET的G、S外加电容CGS1
（3）G、D外加电容CGD1和电阻RGD
RG为G极电阻总和，包括功率MOSFET内部电阻，驱动芯片上拉电阻，外加串联电阻RG1。图1：负载开关和热插拨完整外围电路
其中，D1、CGD1和RGD为可选元件，根据电路设计要求决定是否需要外加。
分立负载开关和热插拨的外围电路设计步骤如下：
1、初步选取功率MOSFET
初步选取功率MOSFET的参数包括电压、导通电阻和封装：（1）根据输入电压选取功率MOSFET的耐压（2）根据系统设计的要求选取相应的封装（3）根据稳定工作的损耗限制，选取功率MOSFET的导通电阻（4）根据功率MOSFET在线性区工作的时间和最大电流，选取安全工作区SOA满足要求的功率MOSFET
2、选取外加电容CGD1
根据输出电压上电时间控制精度的要求，确定是否需要外加电容CGD1。如果需要外加电容CGD1，设定外加电容CGD1的值：
CGD1>10Crss
由此选取相应的标准电容值。
3、选取G极外加的电阻RG1
米勒平台区这个阶段的时间也就是dV/dt的时间，栅极电压恒定，流过栅极电阻RG的电流等于流过电容CGD1的电流。根据系统要求的输出电压的上电时间Ton、输出电压Vo、CGD1、VCC和VGP已知，由下面公式计算G极串联总电阻RG：其中，dVDS/dt=Vo/Ton
图2：热插拨起动波形
例如：通信系统-48V的热插拨，要求软起动的时间为15mS，那么：dVDS/dt=Vo/dt=48V/15mS=3.2V/mS
如果没有外加电容CGD1，公式中的CGD1就使用Crss代替，Crss随电压变化，因此最好使用QGD来计算。由RG可以得到G极额外串联的电阻RG1的值，选取相应的标准电阻值。
4、选取外加电容CGS1
开通过程中，阶段1和阶段2的VGS的电压公式相同：阶段1结束的时刻为：阶段1的时间为：阶段2结束的时刻为：阶段2的时间，也就是di/dt的控制时间，这段时间为：
根据系统浪涌电流和di/dt的要求，使用上面公式就可以求出外加的电容CGS1，由此选取相应的标准电容值。不同的CGS1值可以改变过冲的峰值浪涌电流的大小。
5、选取是外加RGD的阻值
根据测试的实际情况，确定电路是否有振荡或功率MOSFET是否有误导通。如果有振荡或误导通，就需要外加RGD。CGD1串联电阻RGD通常选取较小的值，RG>>RGD，阻值取值范围：RGD=1-50mOhm。
功率MOSFET的跨导大，开通过程中，VGS较小的变化都会导致ID急剧的变化，进而导致VDS急剧的变化，瞬态过程中栅极电压容易产生振荡。串联电阻RGD可以抑制回路的瞬态高频电流，形成阻尼振荡从而抑止栅极的高频振荡，减小振荡的幅度。
关断过程中，高的dVDS/dt通过CGD1耦合到栅极形成瞬态的尖峰电压，如果此尖峰电压大于功率MOSFET的阈值电压，会误导通功率MOSFET，串联电阻RGD可以减小功率MOSFET的误导通。
6、选取G极的快关断二极管
根据系统要求，如果需要功率MOSFET快速关断，可以在G极外加电阻的两端关联二极管D1；如果功率MOSFET不需要快速关断，可以不加这个二极管。
7、校核和测量电路
根据所选取的标称元件值，调试电路，校核所有参数是否满足系统要求，同时校核功率MOSFET安全工作区SOA的裕量，保证系统的安全。如果不满足，就要对参数进行调整，然后重复上述步骤2-步骤7。
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