高端電流感測

作者: Aaron Schultz

問:

為了穩定性,必須在MOSFET閘極前面放一個100 Ω電阻嗎?

RAQ Issue: 151

答案:

簡介

只要問任何經驗豐富的電氣工程師——如我們故事裡的教授Gureux——在MOSFET閘極前要放什麼,你很可能會聽到"一個約100 Ω的電阻。"雖然我們對這個問題的答案非常肯定,但人們仍然會問為什麼,並且想知道具體的作用和電阻值。為了滿足人們的這種好奇心,我們接下來將透過一個例子來探討這些問題。年輕的應用工程師Neubean想透過實驗證明,為了獲得穩定性,是不是真的必須把一個100 Ω的電阻放在MOSFET閘極前。擁有30年經驗的應用工程師Gureux 則對他的實驗進行了監督,並全程提供專家指導。

高端電流感測簡介

Figure 1
圖1.高端電流感測。

圖1中的電路所示為一個典型的高端電流感測示例。負反饋試圖在增益電阻RGAIN上強制施加電壓VSENSE。透過RGAIN的電流流過P通道MOSFET (PMOS),進入電阻ROUT,該電阻形成一個以地為基準的輸出電壓。總增益為

Equation 1

電阻ROUT上的可選電容COUT的作用是對輸出電壓濾波。即使PMOS的漏極電流快速追隨感測到的電流,輸出電壓也會展現出單極點指數軌跡。

原理圖中的電阻RGATE將放大器與PMOS閘極隔開。其值是多少?經驗豐富的Gureux可能會說:"當然是100 Ω!"

嘗試多個Ω值

我們發現,這位朋友Neubean,也是Gureux的學生,正在認真思考這個閘極電阻。Neubean在想,如果閘極和源極之間有足夠的電容,或者閘極電阻足夠大,則應該可以導致穩定性問題。一旦確定RGATE和CGATE相互會產生不利影響,則可以揭開100 Ω或者任何閘極電阻值成為合理答案的原因。

Figure 2
圖2.高端電流感測模擬。

圖2所示為用於凸顯電路行為的LTspice模擬示例。Neubean透過模擬來展現穩定性問題,他認為,穩定性問題會隨著RGATE的增大而出現。畢竟,來自RGATE和CGATE的極點應該會蠶食與開環關聯的相位餘裕。然而,令Neubean感到驚奇的是,在時域響應中,所有RGATE值都未出現任何問題。

結果發現,電路並不簡單

Figure 3
圖3.從誤差電壓到源電壓的頻率響應。

在研究頻率響應時,Neubean意識到,需要明確什麼是開路響應。如果與單位負反饋結合,構成迴路的正向路徑會從差值開始,結束於結果負輸入端。Neubean然後模擬了VS/(VP – VS)或VS/VE,並將結果繪製成圖。圖3所示為該開路回應的頻域圖。在圖3的波特圖中,直流增益很小,並且交越時未發現相位餘裕問題。事實上,從整體上看,這幅圖顯示非常怪異,因為交越頻率小於0.001 Hz。

Figure 4
圖4.高端感測電路功能框圖。

將電路分解成控制系統的結果如圖4所示。就像幾乎所有電壓回饋運算放大器一樣,LTC2063具有高直流增益和單極點響應。該運算放大器放大誤差訊號,驅動PMOS閘極,使訊號通過RGATE – CGATE濾波器。CGATE和PMOS源一起連接至運算放大器的–IN輸入端。RGAIN從該節點連接至低阻抗源。即使在圖4中,可能看起來RGATE – CGATE 濾波器應該會導致穩定性問題,尤其是在RGATE比RGAIN大得多的情況下。畢竟,會直接影響系統RGAIN電流的CGATE電壓滯後於運算放大器輸出變化。

對於為什麼RGATE和CGATE沒有導致不穩定,Neubean提供了一種解釋:"閘極源為固定電壓,所以,RGATE – CGATE電路在這裡是無關緊要的。你只需要按以下方式調整閘極和源即可。這是一個源極追隨器。"

經驗更豐富的同事Gureux說:"實際上,不是這樣的。只有當PMOS作為電路裡的一個增益模組正常工作時,情況才是這樣的。"

受此啟發,Neubean思考了數學問題——要是能直接模擬PMOS源對PMOS閘極的響應,那麼結果會是如何?換言之,V(VS)/V(VG)是什麼?Neubean趕緊跑到白板前,寫下了以下等式。

Equation 2
其中,
Equation 3

 運算放大器增益為A,運算放大器極點為ωA。

Equation 4

Neubean立刻就發現了重要項gm。什麼是gm?對於一個MOSFET,

Equation 5

看著圖1中的電路,Neubean心頭一亮。當通過RSENSE的電流為零時,通過PMOS的電流應該為零。當電流為零時,gm為零,因為PMOS實際上是關閉的,未被使用、無偏置且無增益。當gm = 0時,VS/VE為0,頻率為0 Hz,VS/VG為0,頻率為0 Hz,所以,根本沒有增益,圖3中的曲線圖可能是有效的。

試圖用LTC2063發現不穩定問題

經由這點啟示,Neubean很快就用非零的ISENSE嘗試進行了一些模擬。

Figure 5
圖5.非零感測電流條件下從誤差電壓到源電壓的頻率響應。

圖5為從VE到VS的回應增益/相點陣圖,該曲線跨越0dB以上到0dB以下,看起來要正常得多。圖5應該顯示大約2 kHz時,100 Ω下有大量的PM,100 kΩ下PM較少,1 MΩ下甚至更少,但不會不穩定。

Neubean來到實驗室,用高端感測電路LTC2063得到一個感測電流。他插入一個高RGATE值,先是100 kΩ,然後是1 MΩ,希望能看到不穩定的行為,或者至少出現某類振鈴。不幸的是,他都沒有看到。

他嘗試加大MOSFET裡的漏極電流,先增加ISENSE,然後使用較小的RGAIN電阻值。結果仍然沒能使電路出現不穩定問題。

他又回到了模擬,嘗試用非零ISENSE測量相位裕量。即使在模擬條件下也很難,甚至不可能發現不穩定問題或者低相位裕度問題。

Neubean找到Gureux,問他為什麼沒能使電路變得不穩定。Gureux建議他研究一下具體的數字。Neubean已經對Gureux高深莫測的話習以為常,所以,他研究了RGATE和閘極總電容形成的實際極點。在100 Ω和250 pF下,極點為6.4 MHz;在100 kΩ下,極點為6.4 kHz;在1 MΩ下,極點為640 Hz。LTC2063增益頻寬積(GBP)為20 kHz。當LTC2063具有增益時,閉路交越頻率可能輕鬆下滑至RGATE – CGATE 極點的任何作用以下。

是的,可能出現不穩定問題

意識到運算放大器動態範圍需要延伸至RGATE – CGATE極點的範圍以外,Neubean選擇了一個更高增益頻寬積的運算放大器。LTC6255 5 V運算放大器可以直接加入電路,增益頻寬積也比較高,為6.5 MHz。

Neubean急切地用電流、LTC6255、100 kΩ閘極電阻和300 mA檢測電流進行了模擬。

然後,Neubean在模擬裡添加了RGATE。當RGATE足夠大時,一個額外的極點可能會使電路變得不穩定。

Figure 6
圖6.有振鈴的時域圖。

Figure 7
圖7.增加電流(VE至VS)後的正常波特圖,相位餘裕表現不佳。

圖6和圖7顯示的是在高RGATE值條件下的模擬結果。當感測電流保持300 mA不變時,模擬會出現不穩定情況。

實驗結果

為了瞭解電流是否會在檢測非零電流時出現異常行為,Neubean用不同步進的負載電流和三個不同的RGATE值對LTC6255進行了測試。在暫態開關切入更多並行負載電阻的情況下,ISENSE從60 mA的基數過度到較高值220 mA。這裡沒有零ISENSE測量值,因為我們已經證明,那種情況下的MOSFET增益太低。

實際上,圖8最終表明,使用100 kΩ和1 MΩ電阻時,穩定性確實會受到影響。由於輸出電壓會受到嚴格濾波,所以,閘極電壓就變成了振鈴感測器。振鈴表示相位裕量糟糕或為負值,振鈴頻率顯示交越頻率。

Figure 8
圖8.RGATE = 100 Ω,電流從低到高瞬變。

Figure 9
圖9.RGATE = 100 Ω,電流從高到低瞬變。

Figure 10
圖10.RGATE = 100 kΩ,電流從低到高瞬變。

Figure 11
圖11.RGATE = 100 kΩ,電流從高到低瞬變。

Figure 12
圖12.RGATE = 1 MΩ,電流從低到高瞬變。

Figure 13
圖13.RGATE = 1 MΩ,電流從高到低瞬變。

腦力激盪時間

Neubean意識到,雖然看到過許多高端整合電流感測電路,但不幸的是,工程師根本無力決定閘極電阻,因為這些都是整合在元件當中的。具體的例子有AD8212, LTC6101, LTC6102,和LTC6104高電壓、高端電流檢測器件。事實上,AD8212採用的是PNP電晶體而非PMOS FET。他告訴Gureux說:「真的沒關係,因為現代器件已經解決了這個問題。」

好像早等著這一刻,教授幾乎打斷了Neubean的話,說道:「我們假設,你要把極低電源電流與零漂移輸入失調結合起來,比如安裝在偏遠地點的電池供電儀器。你可能會使用LTC2063或LTC2066,將其作為主放大器。或者你要透過470 Ω分流電阻測到低等級電流,並儘量準確、儘量減少雜訊;那種情況下,你可能需要使用ADA4528,該元件支援軌對軌輸入。在這些情況下,你需要與MOSFET驅動電路打交道。"

所以 …

顯然,只要閘極電阻過大,使高端電流感測電路變得不穩定是有可能的。Neubean向樂於助人的老師Gureux談起了自己的發現。Gureux表示,事實上,RGATE確實有可能使電路變得不穩定,但開始時沒能發現這種行為是因為問題的提法不正確。需要有增益,在當前電路中,被測訊號需要是非零。

Gureux回答說:「當然,當極點侵蝕交越處的相位裕量時,就會出現振鈴。但是,你增加1 MΩ閘極電阻的行為是非常荒謬的,甚至100 kΩ也是瘋狂的。記住,一種良好的做法是限制運算放大器的輸出電流,防止其將閘極電容從一個供電軌轉向另一個供電軌。」

Neubean表示贊同,"那麼,我需要用到哪種電阻值?"

Gureux自信地答道:"100 Ω"。

Author

Aaron Schultz

Aaron Schultz

Overarching Aaron Schultz's engineering career is diversification. System engineering roles in both design and applications have exposed Schultz to topics ranging across battery management, photovoltaics, dimmable LED drive circuits, low voltage and high current DC-DC conversion, high speed fiber optic communication, advanced DDR3 memory R&D, custom tool development, validation, and basic analog circuits. Over half the career has been spent in power conversion. His specialization is, well, providing value the specifics as a generalist. He is presently an applications engineering manager in the LPS business unit. His schooling includes Carnegie Mellon University ('93) and MIT ('95). By night he plays jazz piano.