邪惡的一面我們稱:「魔鬼藏在細節裡」;
善良的一面我們稱:「天使藏在細節裡」。
不管之前有沒有被魔鬼陷害到---尤其是低壓控制的領域，今天魚乾我要講的是細節裡的天使，希望可以讓被魔鬼挖坑跳進去的哈味(Hardware)工程師門可以爬出魔鬼挖的坑。其實這個坑是很多人都知道的，只是不曉得如何巧妙避開的箇中訣竅，魚乾我也是曾經掉在這個坑內很久爬不出來、抓破頭皮想破頭不曉得是怎麼跌進坑的@_@”
今天要說的，在高壓(>5V)的應用不太會構成什麼大問題，但若是應用在低壓(尤其是MCU Logic level 應用的)就要特別注意MOSFET 的選型了，否則會在驅動的時候產生過高的損失(切換損與導通損)。
- MOSFET Gate 電容分佈示意:
MOSFET Data sheet 內有標示：CISS、COSS 和 CRSS，
其中：
CISS = CGS + CGD ;
COSS = CDS + CGD ;
CRSS = CGD.
但由於這些容值與電壓變化有關，因此最好根據Gate Charge 參數內來計算適當的開與關的值(電流與速度)。
下圖為Logic level MOSFET ISC0806NLS data sheet
有沒有發現萬綠叢中的一點紅?那麼多Qxx 內就出現那麼一個完全不一樣的Vplateau? 對啦! 那個參數就是這一整篇想要去找的、傳說中的”天使”~ Vplateau 到底在Gate Charge 的整個圖表內佔了什麼樣的角色與份量?
有沒有看到下列圖表內的QGD那個平台?對! 就是那個平台--傳說中的Vplateau 也就是眾所皆知的米勒平台，說穿了好像也沒什麼了不起^_^||
從上面的圖表我們可以得知:
Gate 電壓從:
- QGS charge階段:
t0 -> t1 VGS 到達(VG(TH))時，IDrain開始流動;
t1 -> t2 VGS 到達Vplateau 電壓時QGS 結束、IDrain 達到飽和、VDS 開始往下降;
- QGD charge 階段
t2 -> t3 VGS 對CGD 充電
t3 -> t4 QGD 結束、VGS 上升到最高電壓後，整個QG 結束
若是在5V Logic level 的控制系統中又不外掛一個Gate Driver IC ,選用了Vplateau >5V 的MOSFET 會發生什麼事呢 ^_^?
如果datasheet 內沒有明確的標示出Vplateau 怎麼辦呢?沒關係，我們再去找一張Gate charge 的圖表(一定會有)，圖表內的那個平台約略也可以顯示出Vplateau 這個值:
從下圖可以看出VGS 對應到IG 的圖示(理想波形)與右側展開後的波形:
[ VDRIVER (red)、VGS (green)、IG(blue) ]
將上圖展開後可以看到VDRIVE, VGS, IG 的細節可以發現，依照QG公式計算出的電流並非全時直流，而是暫態直流:
因此可以表示為:
<fig6>
由上式可以將R 再簡化為RG-ext + RG-int
某些較快速之MOSFET 內部會再串入一個低阻值的RG 以避免切換速度過快造成MOSFET 損壞。
RG-ext 則是我們自由設定的 ;
VDRIVE 則是Gate Driver IC 的輸出電壓 (也可以是Totem pole 輸出)
因此可以再簡化為:
iG=(VDRIVER – VGS) ÷ (RG-ext + RG-int)
以ISC0806NLS 為例:
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
選擇Gate Driver IC 時可以滿足這個電流即可，因為根據電容暫態電流特性，此397mA 只出現在很短暫的時間內。
- PDRIVE = QG x VG x fsw
由上式可以得知: 任一個數據越高Pd就會越高，但通常QG 與VG 是不會變的，會變的通常是工作頻率fsw
以ISC0806NLS 為例:
QG =49nC (max)
VG = 5V
Fsw = 100KHz
Pd =49nC x 5V x 100KHz =24.5mW
假設我們將fsw 提高到500KHz:
Pd =49nC x 5V x 500KHz =122.5mW
Pd 增加了5倍，因此在散熱方面就必需留意。
為了不讓整個計算顯得太複雜，魚乾我將整個電流計算給簡化了，就像我們通常在G-S 端併聯1個10Kohm 來防止電源投入瞬間造成MOSFET 短路損壞。但，為什麼是10K? 為什麼不是1K 或是100K?
其實這個RG-S 是有計算式可以精算出的，只是萬一要更換MOSFET 因為Ciss 不同就得一併更換電阻那就複雜了，電流的這個公式也是相同的道理，已知驅動電流0.5A 的GD 已經夠用，我們就不需要去選一個相對較貴的3A的GD 對吧?
但是，在實際的PCB 佈線上還存在著預期外、但又真實存在的雜散電感與電容如下圖:
諸如此類的細節將待有機會再繼續深入探討，因為有驅動上升與下降時間常數的問題，速度太慢切換損變高(QG) 速度太快會有EMI 的問題…，
有關於動態特性咱下次再聊~
<本篇完>
✽以上圖文引用自Infineon
參考文獻:
- AN2003-03:
- AN-944:
- AN 2203 PL18 2204 004502
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