1 應用簡報

噪聲是一直困擾柵極驅動電路的難題。無論是電源紋波還是功率 FET 柵極的振鈴，噪聲都會導致不可預測的行為并降低系統可靠性。鐵氧體磁珠是工程師用于防止此類損害的工具之一。這種方法很有效，因為鐵氧體磁珠可以減弱高頻振鈴，同時對正常運行的影響非常小。本應用簡報旨在介紹鐵氧體磁珠的基礎知識、柵極驅動電路中的振鈴來源以及如何使用鐵氧體磁珠來解決振鈴問題。本文檔中的材料適用于任何使用柵極驅動電路的人員，但在使用涉及高開關頻率或功率 FET 快速 dV/dt 的系統時尤其重要。

鐵氧體磁珠基礎知識

鐵氧體磁珠是由鐵氧體（一種具有磁性的陶瓷材料）包圍的導體。鐵氧體磁珠的電阻、電容和電感特性與頻率相關。通常，鐵氧體磁珠的頻率響應主要取決于其低頻下的電感分量和較高頻率（接近自諧振頻率 (SRF)）下的電阻分量。在高于 SRF 的頻率下，電容分量成為主導。圖 1-1 顯示了一個等效電路模型，用于演示鐵氧體磁珠的諧振行為。在實踐中，這意味著鐵氧體磁珠允許某些頻率范圍內的信號通過且產生很小的影響，但在較高頻率下會以熱量的形式將其他信號消散。雖然鐵氧體磁珠與具有低 Q 系數的電感器類似，但需要注意的是，鐵氧體磁珠實際上會消耗能量，與存儲能量的電感器相反。這樣可以選擇鐵氧體磁珠，從而降低目標頻率下的噪聲，而不會導致原始信號顯著失真。

圖 1-1 鐵氧體磁珠等效電路

柵極驅動電路中的噪聲

在柵極驅動電路中，柵極上的噪聲可能有多個來源，包括柵極驅動器電源的輻射噪聲和傳導噪聲。然而，重要的噪聲源是功率 FET 柵極由于圖 1-2 中所示的寄生效應而產生的寄生振蕩。FET 布線和引線的寄生電感與寄生電容 C_gd 和 C_gs 相結合，形成一個 RLC 振蕩環路。當 FET 開始導通時，dI/dt 會導致寄生電感上產生振鈴，寄生電感通過 C_gd 耦合到 FET 的柵極。在 FET 完全導通并在其線性區域中運行之前，FET 最初會進入飽和區域，該飽和區域具有較高 g_m/增益，這通常不適合電力電子系統。在此飽和階段，FET 放大從柵極到漏極的振蕩，漏極可以通過 FET C_gd 耦合，從而形成正反饋環路。

圖 1-2 柵極驅動電路中的寄生效應

通過布局優化減少寄生效應，可以減少這種振鈴，但功率 FET 本身具有較大的寄生電容，并且由于系統級的其他因素，有時很難減小寄生電感。解決此問題的另外兩種方法是增大柵極電阻（這有助于抑制振蕩），或在柵極到源極之間添加一個額外的電容器，從而需要更多電荷才能開啟 FET。雖然這兩個選項均可有效減少振鈴，但需要權衡取舍，因為它們都會增加 FET 的開關時間，從而限制了驅動電流（在柵極電阻器情況下）或增加了開啟 FET 所需的電荷（在電容器情況下）。由于開關時間增加，開關損耗也會增加，從而降低效率。該效率降低強調了這樣的需求，即在不顯著影響柵極驅動電路的開關速度和效率的情況下，需要一種方法來抑制這些振蕩。

使用鐵氧體磁珠降低柵極驅動電路中的噪聲

鐵氧體磁珠非常適合在柵極驅動應用中用于減少開關柵極節點上的振鈴和噪聲。過去，電阻器用于降低此柵極噪聲，但使用電阻器會降低最大驅動電流，從而降低開關速度并增加開關損耗。可以選擇鐵氧體磁珠來消除噪聲，而不會顯著降低峰值驅動強度，從而使功率晶體管的開關行為相對不變。下面的波形顯示了在柵極和輸出之間未采用鐵氧體磁珠（如圖 1-3 所示）和采用鐵氧體磁珠（如圖 1-4 所示）時的噪聲超結 MOSFET 開關。在這些圖中，添加鐵氧體磁珠會顯著降低柵極振蕩的幅度。建議在開關管的柵極使用鐵氧體磁珠來提高驅動電路的可靠性，尤其是在開關有噪聲 FET（例如具有快速上升時間或低內部柵極電阻的 FET）時。鐵氧體磁珠可與柵極電阻器串聯使用，以提供更大優勢，如圖 1-5 所示，并應盡可能靠近 FET 放置。

圖 1-3 未采用鐵氧體磁珠時的柵極噪聲

圖 1-4 采用鐵氧體磁珠時的柵極噪聲

圖 1-5 鐵氧體磁珠放置

很明顯，鐵氧體磁珠可以降低系統中的噪聲，但也需要權衡取舍。向柵極驅動路徑添加組件的一個常見問題是開關速度降低，這會導致效率降低。圖 1-6 顯示了采用鐵氧體磁珠（藍色）和不采用鐵氧體磁珠（黑色）時超結 MOSFET 開關的上升柵極信號。觀察這兩個波形可以發現，鐵氧體磁珠對正常運行的影響很小。

圖 1-6 鐵氧體磁珠對正常開關的影響

選擇鐵氧體磁珠

在為柵極驅動應用選擇鐵氧體磁珠時，需要考慮兩個主要因素：飽和電流和目標頻率的阻抗。

選擇鐵氧體磁珠時，最好在驅動頻率下具有超小阻抗，在噪聲頻率下具有高阻抗。通常，柵極振蕩頻率約為 100MHz，但也可以在系統中測量該噪聲頻率，以幫助選擇合適的鐵氧體磁珠。要選擇合適的鐵氧體磁珠，需要查看器件數據表上的頻率與阻抗關系圖。該圖應包含三條線，總體阻抗 (Z)、阻抗的電感分量 (X) 和阻抗的電阻分量 (R)。選擇的鐵氧體磁珠應在噪聲頻率下更大限度提高電阻分量以消散盡可能多的能量，同時更大限度地降低開關頻率下的總體阻抗，以防止不必要的損耗。圖 1-7 顯示了鐵氧體磁珠阻抗的示例圖（基于 TDK 的 MPZ1608 系列）。該圖所示的鐵氧體磁珠適用于很多柵極驅動應用，因為它在開關頻率下的阻抗非常低（低于 1MHz），但在 10MHz 至 300MHz 的頻率下具有高阻抗。

圖 1-7 鐵氧體磁珠阻抗示例圖

必須考慮的第二個因素是飽和電流，即鐵氧體磁珠失效時的電流。鐵氧體磁珠的性能在很大程度上取決于飽和電流，在達到額定電流之前衰減會發生很大變化?？紤]到這一點，務必確保在峰值電流下保持足夠高的阻抗，以充分衰減噪聲。數據表中并不總是提供此信息，因此可能需要向鐵氧體磁珠制造商索取此信息。

參考文獻和其他資源

德州儀器 (TI)，外部柵極電阻器選型指南
TDK，MPZ1608 鐵氧體磁珠數據表
Toshiba，功率 MOSFET 的寄生振蕩和振鈴