MOS管關(guān)斷尖峰電壓這問(wèn)題做開關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)或者DC-DC的朋友應(yīng)該都撞見過(guò)。波形一拉出來(lái)漏極電壓上沖得那叫一個(gè)猛搞不好直接超過(guò)MOS管的額定耐壓輕則炸管、重則殃及整板。我這些年調(diào)試過(guò)的板子里因?yàn)殛P(guān)斷尖峰沒(méi)處理好導(dǎo)致返工的項(xiàng)目不在少數(shù)這話題拿出來(lái)聊聊還是有不少能說(shuō)的。這次帶來(lái)的這5種抑制方案不是抄書抄來(lái)的理論是實(shí)實(shí)在在在同一塊板上換著法測(cè)出來(lái)的。從最常用的RCD吸收、RC緩沖到TVS鉗位、PCB布局優(yōu)化、柵極驅(qū)動(dòng)調(diào)整每種方案的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)都擺在下面。不管你是剛?cè)胄羞€是干了幾年想回頭補(bǔ)補(bǔ)底子這篇文章應(yīng)該都能給到一些能直接落地的參考。1. 尖峰到底從哪來(lái)先搞清楚機(jī)理再談治理1.1 關(guān)斷瞬間MOS管身上發(fā)生了什么MOS管關(guān)斷瞬間的尖峰電壓本質(zhì)上是能量無(wú)處釋放的結(jié)果。開關(guān)管從導(dǎo)通切換到關(guān)斷電流在極短時(shí)間內(nèi)從滿負(fù)載跌到接近零這個(gè)di/dt非?？植馈ｋ娏髟谧兓?只要回路里有電感就會(huì)感應(yīng)出電壓方向跟電流變化方向相反疊加上去之后就把漏源電壓頂起來(lái)了。寄生電感這東西躲不掉——MOS管封裝引腳有十幾納亨的雜散電感PCB走線有寄生電感變壓器漏感更不用說(shuō)了。電感上的感應(yīng)電壓滿足V L × di/dt代入真實(shí)的數(shù)看看假設(shè)回路寄生電感20nH開關(guān)管在50ns內(nèi)關(guān)斷5A電流算下來(lái)就是2kV的尖峰。實(shí)際板子因?yàn)榧纳鷧?shù)分布沒(méi)那么極端但幾十到幾百伏的尖峰是很常見的。只要回路里有電感關(guān)斷尖峰就不可能憑空消失關(guān)鍵是給這個(gè)能量找條合理的出路。1.2 尖峰不只是波形丑它帶來(lái)的麻煩很大先說(shuō)最直接的危害——擊穿MOS管。每個(gè)MOS管都有最大漏源電壓VDS額定值尖峰一旦超過(guò)這個(gè)值管子就可能進(jìn)入雪崩區(qū)或直接被擊穿損壞。更隱蔽的是即使尖峰沒(méi)超過(guò)額定耐壓它也會(huì)讓開關(guān)管的熱應(yīng)力增加長(zhǎng)期工作可靠性大打折扣。其次尖峰電壓帶著高頻分量是EMI的罪魁禍?zhǔn)字?。?shí)測(cè)做過(guò)對(duì)比同樣的板子尖峰從60V壓到40V傳導(dǎo)騷擾測(cè)試的余量能多出將近10dB。這對(duì)過(guò)認(rèn)證來(lái)說(shuō)有時(shí)候就是生與死的區(qū)別。還有一點(diǎn)容易被忽略尖峰通過(guò)寄生電容耦合到驅(qū)動(dòng)電路可能導(dǎo)致誤觸發(fā)甚至串?dāng)_到別的信號(hào)線。我在一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目里就遇到過(guò)關(guān)斷尖峰把主控板的ADC采樣電壓都抬起來(lái)亂跳最后定位到源頭還是功率管的尖峰在作怪。2. 五種常見抑制方案的電路設(shè)計(jì)與選型邏輯2.1 方案一RCD吸收電路適合大多數(shù)場(chǎng)合的保底方案RCD吸收是工程上用得最多的方案。它由電阻R、電容C、二極管D組成并聯(lián)在變壓器的原邊繞組兩端或者M(jìn)OS管的漏源兩端。工作原理一句話就能講清楚MOS管關(guān)斷時(shí)尖峰電流給電容充電把能量暫時(shí)存進(jìn)電容里下一周期管子導(dǎo)通時(shí)電容通過(guò)電阻放電把能量以熱的形式耗散掉。二極管的作用是確保能量只進(jìn)不出防止電容在管子關(guān)斷期間又把能量放回去。參數(shù)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)做法是這樣的電阻R的取值按RC時(shí)間常數(shù)約為開關(guān)周期的1/10來(lái)定。比如100kHz開關(guān)頻率周期10μsRC就取1μs電容按10nF估算電阻大概100Ω左右實(shí)際要結(jié)合吸收效果和損耗微調(diào)。電容C選C0G或者薄膜電容耐壓要留1.5倍以上的余量。很多人圖省事用X7R陶瓷電容溫度特性差、直流偏壓特性也不理想吸收效果會(huì)打折。二極管D必須選快恢復(fù)二極管或者肖特基反向恢復(fù)時(shí)間太長(zhǎng)的話二極管本身就會(huì)成為尖峰源。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是吸收效果穩(wěn)定成本低、器件好找?guī)缀跛须娫搭愴?xiàng)目都能用它兜底。缺點(diǎn)是電阻上持續(xù)耗能重載效率會(huì)受影響。對(duì)大功率場(chǎng)合要仔細(xì)算一下電阻的功耗,別光顧著吸收尖峰回頭電阻冒煙就尷尬了。2.2 方案二RC緩沖電路高頻場(chǎng)合的低成本選擇RC緩沖電路比RCD更簡(jiǎn)單就一個(gè)電阻和一個(gè)電容串聯(lián)并聯(lián)在MOS管兩端。原理是利用電容吸收關(guān)斷瞬間的電感能量由電阻耗散掉。但這里有個(gè)關(guān)鍵區(qū)別RC緩沖只適合吸收高頻振蕩對(duì)周期性尖峰的壓制能力比RCD弱。因?yàn)殡娙菰诠茏訉?dǎo)通的時(shí)候也參與了回路會(huì)分流一部分開關(guān)電流帶來(lái)額外的損耗。我一般把RC緩沖用在那些尖峰頻率特別高的場(chǎng)合——頻率在幾十MHz以上的振鈴。電阻和電容的取值通常比較小幾歐到幾十歐的電阻加上幾百皮法的電容就能有效阻尼振鈴。注意電容本身的高頻特性很重要最好選C0G材質(zhì)ESR盡量低的。這方案最大的問(wèn)題是當(dāng)尖峰能量很大的時(shí)候電阻上的損耗會(huì)急劇增加導(dǎo)致局部過(guò)熱。實(shí)測(cè)過(guò)一個(gè)案例RC取47Ω220pF吸收效果不錯(cuò)但電阻的功耗在重載時(shí)到0.8W還得換大封裝加散熱。所以RC緩沖更適合輕載或高頻振鈴抑制不適合大能量尖峰的場(chǎng)合。2.3 方案三TVS鉗位快準(zhǔn)狠但是有脾氣TVS二極管是專門用來(lái)做電壓鉗位的器件響應(yīng)速度能到皮秒級(jí)比普通穩(wěn)壓管快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。它的特性是兩端電壓超過(guò)鉗位電壓之后阻抗急劇下降把過(guò)壓能量導(dǎo)走。用在MOS管尖峰抑制上直接把TVS跨接在漏源兩端。選型時(shí)要注意鉗位電壓Vc要低于MOS管的耐壓VDS且要留一定裕量。比如用100V耐壓的MOS管TVS的鉗位電壓選75~80V比較合適。同時(shí)TVS的鉗位電壓要高于正常的母線電壓否則正常工作時(shí)也會(huì)漏電。比如48V系統(tǒng)選60V左右的TVS比較合理。關(guān)注TVS的峰值脈沖功率PPM經(jīng)常有大尖峰的場(chǎng)合TVS可能會(huì)連續(xù)觸發(fā)功率不夠就直接燒了。TVS的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度極快電壓鉗得很準(zhǔn)波形是一條幾乎平直的線觀感和實(shí)測(cè)都很舒服。缺點(diǎn)是單個(gè)TVS的耐受能量有限持續(xù)的大能量沖擊會(huì)把它打死。所以TVS更適合作為兜底保護(hù)配合RCD或者RC吸收一起用吸收電路負(fù)責(zé)消掉大部分能量TVS負(fù)責(zé)兜住剩余部分。2.4 方案四優(yōu)化PCB布局從源頭消滅寄生電感上面幾個(gè)方案都是被動(dòng)吸收屬于治標(biāo)不治本。真正釜底抽薪的辦法是降低主功率回路里的寄生電感——這件事的關(guān)鍵又落在PCB布局上。功率回路的電流路徑從輸入電容正端流過(guò)MOS管再流過(guò)變壓器/電感最后回到輸入電容負(fù)端。這個(gè)回路包圍的面積越小寄生電感就越小。常見的做法有輸入電容盡量靠近MOS管的漏極和源極讓整個(gè)功率回路形成一個(gè)小環(huán)路。我見過(guò)一個(gè)反激電源光是把輸入電容從離MOS管3cm改到1.5cm關(guān)斷尖峰就降了快20V。功率走線要短而寬并且最好的方式是正負(fù)極走線堆疊走讓兩條線之間產(chǎn)生磁通抵消等效電感能顯著下降。多層板的話在功率層底下直接鋪完整地平面也能有效減小回路面積和寄生電感。這個(gè)方案不需要增加任何元器件不影響效率對(duì)EMI的改善是全方位的是天花板最高的方案——只要你布局夠好尖峰能抑制到非常理想的程度。當(dāng)然局限也很明顯需要你有一定的PCB設(shè)計(jì)功底板子布局空間也受限制。對(duì)已經(jīng)做好的板子這個(gè)方法無(wú)濟(jì)于事只能通過(guò)其他方案彌補(bǔ)。2.5 方案五柵極驅(qū)動(dòng)優(yōu)化用軟關(guān)斷換尖峰抑制MOS管的關(guān)斷速度也直接影響尖峰大小。原理很直觀di/dt越大電感感應(yīng)電壓越大。柵極電阻變大關(guān)斷時(shí)間變長(zhǎng)di/dt變小尖峰自然就降下來(lái)了。具體操作上加大柵極關(guān)斷電阻RG_OFF可以在驅(qū)動(dòng)電阻上并聯(lián)二極管導(dǎo)通時(shí)用一個(gè)小電阻快速打開關(guān)斷時(shí)用一個(gè)大電阻慢速關(guān)斷這就是經(jīng)典的不對(duì)稱驅(qū)動(dòng)。更高級(jí)一點(diǎn)是分段驅(qū)動(dòng)在關(guān)斷初期用較大電阻慢速關(guān)斷等米勒平臺(tái)結(jié)束、電流降得差不多了再切換到小電阻加速關(guān)斷。這樣既能控制尖峰又不至于開關(guān)損耗過(guò)大。我用過(guò)最簡(jiǎn)單的不對(duì)稱驅(qū)動(dòng)一個(gè)10Ω電阻用于開管一個(gè)47Ω或者100Ω電阻用于關(guān)斷實(shí)測(cè)尖峰能從80V壓到60V左右代價(jià)是關(guān)斷損耗有所增加管子溫度高了大概5~8攝氏度。所以驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的核心思路就是一套取舍——用開關(guān)損耗換電壓應(yīng)力。3. 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比同一塊板五種方案的真實(shí)差異3.1 測(cè)試平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)條件為了讓這幾種方案有個(gè)公平的較量環(huán)境我用的是自己調(diào)試用的一個(gè)同步Buck測(cè)試板改造來(lái)做了這組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。電路參數(shù)如下輸入48V輸出12V負(fù)載電流5A開關(guān)頻率100kHzMOS管用的是耐壓100V的AON7410柵極驅(qū)動(dòng)電阻10Ω。功率回路用的是FPC軟板改的短線連接盡量讓原始寄生電感處在一個(gè)中等水平——既不會(huì)過(guò)于離譜又能讓我們看到明顯差異。測(cè)量用的示波器帶寬100MHz探頭直接焊在MOS管DS腳兩端減小地線環(huán)路引入的誤差。3.2 五種方案的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄先說(shuō)原始狀態(tài)不做任何處理直接測(cè)關(guān)斷尖峰達(dá)到了我預(yù)期中的最大話78V比母線48V高出整整30V波形有比較強(qiáng)烈的振鈴頻率大概在40MHz左右。這個(gè)振鈴頻率能反推回路總電感量估算下來(lái)寄生電感在差不多30nH在PCB布局一般的板子里算正常水平。接下來(lái)每種方案依次上板測(cè)試記錄數(shù)據(jù)如下方案尖峰電壓(V)與母線壓差(V)振鈴情況額外功率損耗物料成本無(wú)處理7830強(qiáng)烈振鈴無(wú)無(wú)RC吸收(47Ω470pF)6214明顯減弱中等低RCD吸收(100Ω10nFES1J)557基本消失中等偏高低TVS鉗位(SMBJ64A)6012被削平低中優(yōu)化PCB布局502輕微無(wú)低柵極關(guān)斷電阻47Ω524輕微偏高無(wú)從趨勢(shì)來(lái)看RCD和優(yōu)化布局的效果是最好的優(yōu)化布局幾乎做到了完全無(wú)尖峰。RC和TVS則各有局限RC對(duì)振鈴的抑制效果不錯(cuò)但尖峰仍然存在TVS把波形削平的保護(hù)效果在同級(jí)別參數(shù)下算不錯(cuò)但因?yàn)殂Q位電壓不能選太低所以殘留尖峰反而比RCD略高一些。3.3 數(shù)據(jù)背后的深入解讀與選型建議純粹看數(shù)據(jù)優(yōu)化PCB布局毫無(wú)懸念是最優(yōu)解但現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目中板子尺寸、布局位置都受限很多時(shí)候沒(méi)法做到最理想的布局。這時(shí)候RCD吸收就是綜合最優(yōu)解。RCD在成本和效果上都占優(yōu)勢(shì)一個(gè)電阻一個(gè)電容一個(gè)二極管搞定絕大部分應(yīng)用。RC緩沖在數(shù)據(jù)上排名靠后但它有一個(gè)別人沒(méi)有的好處——它對(duì)高頻振鈴的抑制特別明顯。如果你的問(wèn)題是尖峰引起的EMI而不是單純過(guò)壓RC緩沖是一個(gè)針對(duì)性的好工具。TVS鉗位在數(shù)據(jù)上看起來(lái)并不突出但它的思路和其他方案完全不同。其他方案是用時(shí)間換幅度TVS是直接把電壓削平。用TVS的目的不是徹底消滅尖峰而是確保尖峰永遠(yuǎn)落在安全范圍內(nèi)把突發(fā)異常兜死。所以很多成熟產(chǎn)品里TVS是作為二次保護(hù)在RCD吸收后面再加一道安全網(wǎng)。柵極驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的數(shù)據(jù)表現(xiàn)不錯(cuò)但代價(jià)也清清楚楚——開關(guān)損耗上去了。對(duì)效率要求高的場(chǎng)合需要仔細(xì)評(píng)估尤其是高頻應(yīng)用那個(gè)損耗增長(zhǎng)得特別快。最佳組合拳RCD先吸收大部分能量TVS兜底防意外可以用很小的成本換到極高的安全性。4. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的坑和排查思路4.1 示波器測(cè)量大忌長(zhǎng)地線夾子測(cè)出來(lái)的尖峰有一半是假的實(shí)測(cè)尖峰最容易栽的坑就是測(cè)量方法不對(duì)。很多人直接拿示波器原配的地線夾子夾在MOS管源極探頭點(diǎn)漏極測(cè)量結(jié)果是巨大的振鈴尖峰——但這個(gè)尖峰有相當(dāng)一部分是測(cè)量環(huán)路感應(yīng)出來(lái)的。地線夾子本身形成一個(gè)很大的環(huán)路相當(dāng)于一根天線高頻磁場(chǎng)會(huì)在里面感應(yīng)出電壓。更皮實(shí)的做法是用探頭廠家出的接地彈簧直接插到探頭尖端盡量減少地線環(huán)路的面積。彈簧接地和長(zhǎng)地線夾子測(cè)出來(lái)的結(jié)果能差20到30V我第一次對(duì)比的時(shí)候都驚了。還有一個(gè)細(xì)節(jié)是探頭的帶寬和衰減比。測(cè)電源尖峰至少要用100MHz以上的探頭最好用500MHz的。帶寬不夠的話尖峰和上沖的細(xì)節(jié)會(huì)被濾掉峰會(huì)被磨平測(cè)出來(lái)比真實(shí)值偏低也會(huì)誤導(dǎo)你的判斷。4.2 元器件的隱藏屬性每一顆都不是理想器件在實(shí)際調(diào)試中我遇到過(guò)好幾次照書抄的電路卻不工作的情況最后排查下來(lái)都是元器件的非理想特性造成的。RCD里的二極管就是最容易出問(wèn)題的。普通整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間太長(zhǎng)在幾MHz的電流變化下反向恢復(fù)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一個(gè)額外的電流脈沖反而把尖峰推得更高了。換成ES1J這種超快恢復(fù)二極管或者直上肖特基效果立竿見影。RC緩沖里的電容也一樣。很多陶瓷電容在直流偏壓下容量會(huì)下降甚至跌到標(biāo)稱值的一半以下。C0G電容相對(duì)穩(wěn)定但大容量的C0G體積太大。用X7R的話一定要看一下規(guī)格書里的直流偏壓曲線選了實(shí)際容量偏低的電容等于白干。TVS選型的坑在鉗位電壓上。我一開始圖省事用了跟電源母線電壓很接近的TVS以為能保護(hù)得更精確結(jié)果正常工作的時(shí)候TVS就在那里偷偷漏電效率掉了2個(gè)點(diǎn)還發(fā)熱。TVS的鉗位電壓至少要高出母線電壓20%以上才能避免誤動(dòng)作。4.3 排查技巧先判斷尖峰是哪一個(gè)寄生參數(shù)在作怪遇到尖峰別急著往板子上堆元件先搞清楚尖峰的來(lái)源能省下大把時(shí)間。我的習(xí)慣是先看振鈴頻率。用一個(gè)公式估算:f 1 / (2π√(L×C))。這里C是MOS管輸出電容Coss加上任何并聯(lián)在DS間的電容L是回路寄生電感。通過(guò)振鈴頻率反推L就能大致判斷寄生電感主要來(lái)自哪個(gè)環(huán)節(jié)。如果振鈴頻率特別高幾十MHz以上寄生電感很小多半來(lái)自PCB走線和MOS管封裝引腳把布局優(yōu)化一下就能解決。如果振鈴頻率在幾MHz左右寄生電感較大很可能來(lái)自變壓器漏感或者外接電感。這種就要靠RCD吸收來(lái)壓能量。還有一種情況尖峰頻率跟開關(guān)頻率一樣每次關(guān)斷都有但幅度不太大這種往往是驅(qū)動(dòng)電阻太小導(dǎo)致di/dt過(guò)大調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)就能改善。通過(guò)頻率反推的方法在大多數(shù)情況下都能給出一個(gè)比較準(zhǔn)確的定位比到處試元件高效太多了。5. 這幾輪實(shí)驗(yàn)做下來(lái)我再多說(shuō)幾句折騰完這一輪對(duì)比實(shí)驗(yàn)有幾個(gè)心得還是值得拿出來(lái)分享一下。第一抑制方案沒(méi)有萬(wàn)金油每個(gè)項(xiàng)目都要找到核心矛盾。比如你做一個(gè)高頻小功率的DC-DC尖峰主要是PCB走線寄生電感帶來(lái)的那么優(yōu)化布局和RC緩沖就夠用完全不用額外掛RCD增加損耗但如果你做的是大功率反激電源變壓器漏感帶來(lái)的能量巨大就得老老實(shí)實(shí)用RCD吸收讓能量有地方耗散。第二方案組合比單一方案更可靠。我現(xiàn)在做設(shè)計(jì)除非成本壓力極大否則都會(huì)至少保留兩道防線一道是主吸收機(jī)制另一道是保護(hù)性鉗位。主線用RCD或優(yōu)化布局兜底用TVS或者雪崩耐量更高的MOS管。多花幾毛錢換來(lái)的可靠性是值得的。第三所有的設(shè)計(jì)手段都有代價(jià)。RC、RCD要損耗功率軟關(guān)斷要增加開關(guān)損耗TVS偶爾也會(huì)有漏流和壽命問(wèn)題。所謂好方案就是在你能接受的犧牲范圍內(nèi)把尖峰壓到安全的軌道里。做電源設(shè)計(jì)就是一個(gè)不停做權(quán)衡的過(guò)程。第四建議有條件的朋友都在桌上擺一個(gè)靠譜的差分探頭加短彈簧接地。這套測(cè)量裝備投資不高但對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估尖峰、EMI、驅(qū)動(dòng)波形都會(huì)有本質(zhì)性的提升。數(shù)據(jù)測(cè)準(zhǔn)了方案選擇才有討論的前提。最后再提醒一句選MOS管的時(shí)候別只盯著導(dǎo)通電阻和電流等級(jí)也要關(guān)注它的SOA曲線和雪崩耐量。我面試工程師時(shí)經(jīng)常問(wèn)的一句話是你的MOS管方案里如果尖峰出現(xiàn)了但吸收電路壞了你想過(guò)后果嗎建議大家動(dòng)手畫原理圖前就把這道保護(hù)問(wèn)題的答案想清楚。