热插拔控制器寄生振荡的原理分析

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：

初始启动期间，当栅极电压上升且输出电容充电时。

正在调节电流时（如果控制器使用有源限流功能）。

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中观察到了振荡，这表明高端NFET开关处于Colpitts拓扑中。

图6. 示波器图显示施加直流电时出现振荡。

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 LTC4260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。

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。

图8. 示波器图显示了启动期间逐渐衰减的振荡

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。

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10. 添加栅极电阻的演示板测试电路。

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。

结论

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。