高端电流检测

问题:

为了稳定性,必须在MOSFET栅极前面放一个100 Ω电阻吗?

RAQ Issue: 151

答案:

简介

只要问任何经验丰富的电气工程师——如我们故事里的教授Gureux——在MOSFET栅极前要放什么,你很可能会听到"一个约100 Ω的电阻。"虽然我们对这个问题的答案非常肯定,但人们仍然会问为什么,并且想知道具体的作用和电阻值。为了满足人们的这种好奇心,我们接下来将通过一个例子探讨这些问题。年轻的应用工程师Neubean想通过实验证明,为了获得稳定性,是不是真的必须把一个100 Ω的电阻放在MOSFET栅极前。拥有30年经验的应用工程师Gureux对他的实验进行了监督,并全程提供专家指导。

高端电流检测简介

Figure 1
图1.高端电流检测。

图1中的电路所示为一个典型的高端电流检测示例。负反馈试图在增益电阻RGAIN上强制施加电压VSENSE。通过RGAIN的电流流过P沟道MOSFET (PMOS),进入电阻ROUT,该电阻形成一个以地为基准的输出电压。总增益为

Equation 1

电阻ROUT上的可选电容COUT的作用是对输出电压滤波。即使PMOS的漏极电流快速跟随检测到的电流,输出电压也会展现出单极点指数轨迹。

原理图中的电阻RGATE将放大器与PMOS栅极隔开。其值是多少?经验丰富的Gureux可能会说:"当然是100 Ω!"

尝试多个Ω值

我们发现,我们的朋友Neubean,也是Gureux的学生,正在认真思考这个栅极电阻。Neubean在想,如果栅极和源极之间有足够的电容,或者栅极电阻足够大,则应该可以导致稳定性问题。一旦确定RGATE和CGATE相互会产生不利影响,则可以揭开100 Ω或者任何栅极电阻值成为合理答案的原因。

Figure 2
图2.高端电流检测仿真。

图2所示为用于凸显电路行为的LTspice仿真示例。Neubean通过仿真来展现稳定性问题,他认为,稳定性问题会随着RGATE的增大而出现。毕竟,来自RGATE和CGATE的极点应该会蚕食与开环关联的相位裕量。然而,令Neubean感到惊奇的是,在时域响应中,所有RGATE值都未出现任何问题。

结果发现,电路并不简单

Figure 3
图3.从误差电压到源电压的频率响应。

在研究频率响应时,Neubean意识到,需要明确什么是开环响应。如果与单位负反馈结合,构成环路的正向路径会从差值开始,结束于结果负输入端。Neubean然后模拟了VS/(VP – VS)或VS/VE,并将结果绘制成图。图3所示为该开环响应的频域图。在图3的波特图中,直流增益很小,并且交越时未发现相位裕量问题。事实上,从整体上看,这幅图显示非常怪异,因为交越频率小于0.001 Hz。

Figure 4
图4.高端检测电路功能框图。

将电路分解成控制系统的结果如图4所示。就像几乎所有电压反馈运算放大器一样, LTC2063具有高直流增益和单极点响应。该运算放大器放大误差信号,驱动PMOS栅极,使信号通过RGATE – CGATE滤波器。CGATE和PMOS源一起连接至运算放大器的–IN输入端。RGAIN从该节点连接至低阻抗源。即使在图4中,可能看起来RGATE – CGATE 滤波器应该会导致稳定性问题,尤其是在RGATE比RGAIN大得多的情况下。毕竟,会直接影响系统RGAIN电流的CGATE电压滞后于运算放大器输出变化。

对于为什么RGATE和CGATE没有导致不稳定,Neubean提供了一种解释:"栅极源为固定电压,所以,RGATE – CGATE电路在这里是无关紧要的。你只需要按以下方式调整栅极和源即可。这是一个源极跟随器。"

经验更丰富的同事Gureux说:"实际上,不是这样的。只有当PMOS作为电路里的一个增益模块正常工作时,情况才是这样的。"

受此启发,Neubean思考了数学问题——要是能直接模拟PMOS源对PMOS栅极的响应,结果会怎样?换言之,V(VS)/V(VG)是什么?Neubean赶紧跑到白板前,写下了以下等式。

Equation 2
其中,
Equation 3

 运算放大器增益为A,运算放大器极点为ωA。

Equation 4

Neubean立刻就发现了重要项gm。什么是gm?对于一个MOSFET,

Equation 5

看着图1中的电路,Neubean心头一亮。当通过RSENSE的电流为零时,通过PMOS的电流应该为零。当电流为零时,gm为零,因为PMOS实际上是关闭的,未被使用、无偏置且无增益。当gm = 0时,VS/VE为0,频率为0 Hz,VS/VG为0,频率为0 Hz,所以,根本没有增益,图3中的曲线图可能是有效的。

试图用LTC2063发现不稳定问题

带来这点启示,Neubean很快就用非零的ISENSE尝试进行了一些仿真。

Figure 5
图5.非零检测电流条件下从误差电压到源电压的频率响应。

图5为条件下从VE到VS的响应增益/相位图,该线跨越0dB以上到0dB以下,看起来要正常得多。图5应该显示大约2 kHz时,100 Ω下有大量的PM,100 kΩ下PM较少,1 MΩ下甚至更少,但不会不稳定。

Neubean来到实验室,用高端检测电路LTC2063得到一个检测电流。他插入一个高RGATE值,先是100 kΩ,然后是1 MΩ,希望能看到不稳定的行为,或者至少出现某类振铃。不幸的是,他都没有看到

他尝试加大MOSFET里的漏极电流,先增加ISENSE,然后使用较小的RGAIN电阻值。结果仍然没能使电路出现不稳定问题。

他又回到了仿真,尝试用非零ISENSE测量相位裕量。即使在仿真条件下也很难,甚至不可能发现不稳定问题或者低相位裕度问题。

Neubean找到Gureux,问他为什么没能使电路变得不稳定。Gureux建议他研究一下具体的数字。Neubean已经对Gureux高深莫测的话习以为常,所以,他研究了RGATE和栅极总电容形成的实际极点。在100 Ω和250 pF下,极点为6.4 MHz;在100 kΩ下,极点为6.4 kHz;在1 MΩ下,极点为640 Hz。LTC2063增益带宽积(GBP)为20 kHz。当LTC2063具有增益时,闭环交越频率可能轻松下滑至RGATE – CGATE 极点的任何作用以下。

是的,可能出现不稳定问题

意识到运算放大器动态范围需要延伸至RGATE – CGATE极点的范围以外,Neubean选择了一个更高增益带宽积的运放。LTC6255 5 V运算放大器可以直接加入电路,增益带宽积也比较高,为6.5 MHz。

Neubean急切地用电流、LTC6255、100 kΩ栅极电阻和300 mA检测电流进行了仿真。

然后,Neubean在仿真里添加了RGATE。当RGATE足够大时,一个额外的极点可能会使电路变得不稳定。

Figure 6
图6.有振铃的时域图。
Figure 7
图7.增加电流(VE至VS)后的正常波特图,相位裕量表现糟糕。

图6和图7显示的是在高RGATE值条件下的仿真结果。当检测电流保持300 mA不变时,仿真会出现不稳定情况。

实验结果

为了了解电流是否会在检测非零电流时出现异常行为,Neubean用不同步进的负载电流和三个不同的RGATE值对LTC6255进行了测试。在瞬时开关切入更多并行负载电阻的情况下,ISENSE从60 mA的基数过度到较高值220 mA。这里没有零ISENSE测量值,因为我们已经证明,那种情况下的MOSFET增益太低。

实际上,图8最终表明,使用100 kΩ和1 MΩ电阻时,稳定性确实会受到影响。由于输出电压会受到严格滤波,所以,栅极电压就变成了振铃检测器。振铃表示相位裕量糟糕或为负值,振铃频率显示交越频率。

Figure 8
图8.RGATE = 100 Ω,电流从低到高瞬态。
Figure 9
图9.RGATE = 100 Ω,电流从高到低瞬态。
Figure 10
图10.RGATE = 100 kΩ,电流从低到高瞬态。
Figure 11
图11.RGATE = 100 kΩ,电流从高到低瞬态。
Figure 12
图12.RGATE = 1 MΩ,电流从低到高瞬态。
Figure 13
图13.RGATE = 1 MΩ,电流从高到低瞬态。

头脑风暴时间

Neubean意识到,虽然看到过许多高端集成电流检测电路,但不幸的是,工程师根本无力决定栅极电阻,因为这些都是集成在器件当中的。具体的例子有 AD8212, LTC6101, LTC6102,和LTC6104 高电压、高端电流检测器件。事实上,AD8212采用的是PNP晶体管而非PMOS FET。他告诉Gureux说:"真的没关系,因为现代器件已经解决了这个问题。"

好像早等着这一刻,教授几乎打断了Neubean的话,说道:"我们假设,你要把极低电源电流与零漂移输入失调结合起来,比如安装在偏远地点的电池供电仪器。你可能会使用LTC2063或 LTC2066 ,将其作为主放大器。或者你要通过470 Ω分流电阻测到低等级电流,并尽量准确、尽量减少噪声;那种情况下,你可能需要使用 ADA4528,该器件支持轨到轨输入。在这些情况下,你需要与MOSFET驱动电路打交道。"

所以 …

显然,只要栅极电阻过大,使高端电流检测电路变得不稳定是有可能的。Neubean向乐于助人的老师Gureux谈起了自己的发现。Gureux表示,事实上,RGATE确实有可能使电路变得不稳定,但开始时没能发现这种行为是因为问题的提法不正确。需要有增益,在当前电路中,被测信号需要是非零。

Gureux回答说:"肯定,当极点侵蚀交越处的相位裕量时,就会出现振铃。但是,你增加1 MΩ栅极电阻的行为是非常荒谬的,甚至100 kΩ也是疯狂的。记住,一种良好的做法是限制运算放大器的输出电流,防止其将栅极电容从一个供电轨转向另一个供电轨。"

Neubean表示赞同,"那么,我需要用到哪种电阻值?"

Gureux自信地答道:"100 Ω"。

作者

Aaron Schultz

Aaron Schultz

Aaron Schultz is an applications engineering manager in the LPS business unit. His multiple system engineering roles in both design and applications have exposed him to topics ranging across battery management, photovoltaics, dimmable LED drive circuits, low voltage and high current dc-to-dc conversion, high speed fiber optic communication, advanced DDR3 memory R&D, custom tool development, validation, and basic analog circuits, with over half of his career has been spent in power conversion. He graduated from Carnegie Mellon University in 1993 and MIT in 1995. By night he plays jazz piano.