邪恶的一面我们称:“魔鬼藏在细节里”;
善良的一面我们称:“天使藏在细节里”。
不管之前有没有被魔鬼陷害到---尤其是低压控制的领域，今天鱼干我要讲的是细节里的天使，希望可以让被魔鬼挖坑跳进去的哈味(Hardware)工程师门可以爬出魔鬼挖的坑。其实这个坑是很多人都知道的，只是不晓得如何巧妙避开的个中诀窍，鱼干我也是曾经掉在这个坑内很久爬不出来、抓破头皮想破头不晓得是怎么跌进坑的@_@”
今天要说的，在高压(>5V)的应用不太会构成什么大问题，但若是应用在低压(尤其是MCU Logic level 应用的)就要特别注意MOSFET 的选型了，否则会在驱动的时候产生过高的损失(切换损与导通损)。
- MOSFET Gate 电容分布示意:
MOSFET Data sheet 内有标示：CISS、COSS 和 CRSS，
其中：
CISS = CGS + CGD ;
COSS = CDS + CGD ;
CRSS = CGD.
但由于这些容值与电压变化有关，因此最好根据Gate Charge 参数内来计算适当的开与关的值(电流与速度)。
下图为Logic level MOSFET ISC0806NLS data sheet
有没有发现万绿丛中的一点红?那么多Qxx 内就出现那么一个完全不一样的Vplateau? 对啦! 那个参数就是这一整篇想要去找的、传说中的”天使”~ Vplateau 到底在Gate Charge 的整个图表内占了什么样的角色与分量?
有没有看到下列图表内的QGD那个平台?对! 就是那个平台--传说中的Vplateau 也就是众所皆知的米勒平台，说穿了好像也没什么了不起^_^||
从上面的图表我们可以得知:
Gate 电压从:
- QGS charge阶段:
t0 -> t1 VGS 到达(VG(TH))时，IDrain开始流动;
t1 -> t2 VGS 到达Vplateau 电压时QGS 结束、IDrain 达到饱和、VDS 开始往下降;
- QGD charge 阶段
t2 -> t3 VGS 对CGD 充电
t3 -> t4 QGD 结束、VGS 上升到最高电压后，整个QG 结束
若是在5V Logic level 的控制系统中又不外挂一个Gate Driver IC ,选用了Vplateau >5V 的MOSFET 会发生什么事呢 ^_^?
如果datasheet 内没有明确的标示出Vplateau 怎么办呢?没关系，我们再去找一张Gate charge 的图表(一定会有)，图表内的那个平台约略也可以显示出Vplateau 这个值:
从下图可以看出VGS 对应到IG 的图示(理想波形)与右侧展开后的波形:
[ VDRIVER (red)、VGS (green)、IG(blue) ]
将上图展开后可以看到VDRIVE, VGS, IG 的细节可以发现，依照QG公式计算出的电流并非全时直流，而是暂态直流:
因此可以表示为:
<fig6>
由上式可以将R 再简化为RG-ext + RG-int
某些较快速之MOSFET 内部会再串入一个低阻值的RG 以避免切换速度过快造成MOSFET 损坏。
RG-ext 则是我们自由设定的 ;
VDRIVE 则是Gate Driver IC 的输出电压 (也可以是Totem pole 输出)
因此可以再简化为:
iG=(VDRIVER – VGS) ÷ (RG-ext + RG-int)
以ISC0806NLS 为例:
RG-int =1.2 ohm
VGS (th)= 2.3V
RG-ext = 5.6 ohm
VDRIVE =5V
iG=(5V – 2.3V) ÷ (1.2 ohm + 5.6 ohm) = 397mA
选择Gate Driver IC 时可以满足这个电流即可，因为根据电容暂态电流特性，此397mA 只出现在很短暂的时间内。
- PDRIVE = QG x VG x fsw
由上式可以得知: 任一个数据越高Pd就会越高，但通常QG 与VG 是不会变的，会变的通常是工作频率fsw
以ISC0806NLS 为例:
QG =49nC (max)
VG = 5V
Fsw = 100KHz
Pd =49nC x 5V x 100KHz =24.5mW
假设我们将fsw 提高到500KHz:
Pd =49nC x 5V x 500KHz =122.5mW
Pd 增加了5倍，因此在散热方面就必需留意。
为了不让整个计算显得太复杂，鱼干我将整个电流计算给简化了，就像我们通常在G-S 端并联1个10Kohm 来防止电源投入瞬间造成MOSFET 短路损坏。但，为什么是10K? 为什么不是1K 或是100K?
其实这个RG-S 是有计算式可以精算出的，只是万一要更换MOSFET 因为Ciss 不同就得一并更换电阻那就复杂了，电流的这个公式也是相同的道理，已知驱动电流0.5A 的GD 已经够用，我们就不需要去选一个相对较贵的3A的GD 对吧?
但是，在实际的PCB 布线上还存在着预期外、但又真实存在的杂散电感与电容如下图:
诸如此类的细节将待有机会再继续深入探讨，因为有驱动上升与下降时间常数的问题，速度太慢切换损变高(QG) 速度太快会有EMI 的问题…，
有关于动态特性咱下次再聊~
<本篇完>
✽以上图文引用自Infineon
参考文献:
- AN2003-03:
- AN-944:
- AN 2203 PL18 2204 004502
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