MOS在RDS较大，频率高时开关波形异常

Question

将MOS管按图中所示的方法连接，发现测出来的波形有异常，希望能帮忙分析一下原因。
栅级给了一个-2V~10V的方波使MOS管进行开关工作
在2KHZ下波形还算正常，到125KHZ 50%占空比时波形幅值出现非常高的电压尖峰，波形出现异常。是否跟RDS有关？当RDS增加到100K以上的时候波形也会出现异常。

上图为2KHZ波形，已经出现尖峰

上图为125KHZ

Answer 1

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面对MOS管在高频操作和高RDS情况下的异常波形问题，这通常与寄生电感、栅极驱动、开关速度以及RDS(on)的变化有关。以下是对可能原因的分析及解决策略：

1. 寄生电感的影响

• 分析：在高频操作时，电路中的寄生电感（如PCB走线、连接线、封装等）会显著影响波形。这些寄生电感会在快速开关时产生反冲电压，导致电压尖峰。

• 对策：

  • 尽量减少电路路径长度，特别是从驱动器到MOS管的栅极线路，以及MOS管的源极和漏极线路。
  • 使用更短、更宽的走线来降低寄生电感。
  • 考虑在MOS管附近放置去耦电容，以吸收瞬态电流，减少电压波动。

2. 栅极驱动

• 分析：若栅极驱动不足，MOS管的开关速度会变慢，导致开关损耗增加和波形畸变。

• 对策：

  • 确保栅极驱动电路有足够的带宽和驱动能力。
  • 使用专用的高速栅极驱动器，可以提供足够的电流来快速充电和放电MOS管的栅极电容。
  • 调整栅极电阻，以优化开关时间与振荡之间的平衡。

3. RDS(on)变化

• 分析：MOS管的RDS(on)在不同温度和电流条件下会有变化，特别是在高频操作时，由于集肤效应和邻近效应，RDS(on)可能会增加。

• 对策：

  • 选择具有低RDS(on)和良好温度稳定性的MOS管。
  • 确保MOS管有足够的散热，以维持较低的工作温度。
  • 在设计时考虑RDS(on)的最坏情况，并确保电路能在此情况下正常工作。

4. 布局与设计

• 分析：电路板布局不当也可能导致问题，如信号回路面积大，容易形成天线效应，吸收或辐射电磁波。

• 对策：

  • 设计时注意信号回路的最小化，尤其是高速信号的回路。
  • 采用多层PCB，合理安排地平面和电源平面，减少干扰。

解决步骤示例

假设我们正在调整栅极驱动电路，下面是一个简化的示例代码，用于计算栅极驱动电路的参数：

# 假设参数
Cg = 1e-9 # 栅极电容，单位为法拉
Vg = 10 # 栅极电压，单位为伏特
Ig_max = 1 # 最大栅极驱动电流，单位为安培

# 计算栅极电阻
Rg = Vg / Ig_max

print("栅极电阻建议值: {:.2f} 欧姆".format(Rg))

结论

通过上述分析和对策，可以有效改善MOS管在高频和高RDS情况下的性能。重要的是要综合考虑电路设计的各个方面，包括布局、元件选择、栅极驱动和散热策略，以达到最佳效果。