芯耀
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Part 01、前言
MOSFET作為開關(guān)器件，在驅(qū)動(dòng)電路中主要用于控制電流的通斷，比如在DC-DC轉(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)或者功率放大電路中。它的開關(guān)過程（開和關(guān)）會(huì)直接影響電路的效率、發(fā)熱和可靠性?！奥_快關(guān)”的這個(gè)設(shè)計(jì)原則，背后有什么電路設(shè)計(jì)原理呢？咱們從MOSFET的工作原理和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景來分析分析一下。MOSFET的開關(guān)過程中開和關(guān)的本質(zhì)是什么呢？
MOSFET的開關(guān)過程主要由柵極電壓Vgs控制，Turn-On時(shí)，柵極電壓Vgs從0V上升到閾值電壓Vth以上，MOSFET開始導(dǎo)通，漏極到源極的電阻RDS(on)迅速減小，電流開始流過。Turn-Off時(shí)，柵極電壓Vgs從高電平下降到低于Vth，MOSFET截止，漏極到源極變成高阻態(tài)，電流被阻斷。
開關(guān)過程并不是瞬間完成的，MOSFET的柵極有一個(gè)等效電容,包括柵極-源極電容Cgs和柵極-漏極電容Cgd，統(tǒng)稱為輸入電容Cis。驅(qū)動(dòng)電路需要通過柵極電阻Rg給這個(gè)電容充放電，充放電速度直接決定了開關(guān)速度。
Part 02、分析
為什么可以慢開?
"慢開"指的是MOSFET從截止到導(dǎo)通的過程可以稍微慢一點(diǎn)，也就是讓VGS上升得慢一些。這主要是為了減少開關(guān)過程中的電磁干擾EMI和電壓尖峰。
降低di/dt，減少寄生電感引起的電壓尖峰：
當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，漏極電流ID會(huì)迅速上升，di/dt很大。電路中不可避免地存在寄生電感，比如PCB走線、引腳電感等，根據(jù)電感電壓公式V=L*di/dt，di/dt越大，寄生電感上產(chǎn)生的電壓尖峰就越大。這個(gè)尖峰可能疊加到MOSFET的漏極-源極電壓Vds上，嚴(yán)重時(shí)可能超過MOSFET的耐壓,導(dǎo)致?lián)舸?/p>
例子：假設(shè)電路中有10nH的寄生電感，MOSFET導(dǎo)通時(shí)電流從0A到10A只需要50ns（di/dt=10/50×10^-9=2×10^8A/s)，那么寄生電感上的電壓尖峰是：
如果開得更快，比如10ns內(nèi)完成，di/dt變成10/10×10^-9=10^9A/s，尖峰電壓就變成10V，可能就危險(xiǎn)了。慢開可以降低di/dt，減少尖峰電壓，保護(hù)MOSFET。
減少EMI：
快速導(dǎo)通會(huì)導(dǎo)致電流和電壓的快速變化，產(chǎn)生高頻諧波，增加電磁干擾。慢開可以讓電流變化更平滑，降低高頻輻射，減少對(duì)周圍電路的干擾。
慢開的代價(jià)：
慢開會(huì)增加開關(guān)損耗。MOSFET在導(dǎo)通過程中，Vds逐漸下降，ID逐漸上升，這段時(shí)間內(nèi)MOSFET處于線性區(qū)，損耗是P=Vds × ID。但在很多應(yīng)用中（比如低頻開關(guān))，這個(gè)損耗可以接受。
為什么必須快關(guān)？
"快關(guān)"指的是MOSFET從導(dǎo)通到截止的過程要盡量快，也就是讓Vgs快速下降到低于Vth。這主要是為了減少關(guān)斷損耗和避免誤導(dǎo)通。
減少關(guān)斷損耗：
關(guān)斷時(shí)，MOSFET的Vds上升，ID下降，同樣會(huì)經(jīng)歷一個(gè)線性區(qū)，產(chǎn)生損耗P=Vds×ID。如果關(guān)得慢，這個(gè)損耗時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，總損耗增加，發(fā)熱也會(huì)更嚴(yán)重。
舉個(gè)例子，假設(shè)MOSFET關(guān)斷時(shí)，Vds從0V升到12V，ID從10A降到0A。如果關(guān)斷時(shí)間是100ns，平均損耗可以近似為：
總能量損耗（100ns內(nèi)）：
如果關(guān)斷時(shí)間縮短到20ns，能量損耗變成：
快關(guān)直接把損耗降低了5倍！在高頻開關(guān)應(yīng)用，比如開關(guān)電源，開關(guān)頻率100kHz，這個(gè)損耗會(huì)累積，影響效率和發(fā)熱。
Part 03、總結(jié)
雖然"慢開快關(guān)"是理想原則，但實(shí)際設(shè)計(jì)中還得權(quán)衡，慢開太慢，導(dǎo)通損耗會(huì)增加，尤其在高頻應(yīng)用中，損耗累積會(huì)導(dǎo)致效率下降和發(fā)熱。
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