1 應(yīng)用簡報(bào)

鐵氧體磁珠基礎(chǔ)知識(shí)

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(dǎo)體。鐵氧體磁珠的電阻、電容和電感特性與頻率相關(guān)。通常，鐵氧體磁珠的頻率響應(yīng)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(dǎo)。圖 1-1 顯示了一個(gè)等效電路模型，用于演示鐵氧體磁珠的諧振行為。在實(shí)踐中，這意味著鐵氧體磁珠允許某些頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過且產(chǎn)生很小的影響，但在較高頻率下會(huì)以熱量的形式將其他信號(hào)消散。雖然鐵氧體磁珠與具有低 Q 系數(shù)的電感器類似，但需要注意的是，鐵氧體磁珠實(shí)際上會(huì)消耗能量，與存儲(chǔ)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(biāo)頻率下的噪聲，而不會(huì)導(dǎo)致原始信號(hào)顯著失真。

柵極驅(qū)動(dòng)電路中的噪聲

在柵極驅(qū)動(dòng)電路中，柵極上的噪聲可能有多個(gè)來源，包括柵極驅(qū)動(dòng)器電源的輻射噪聲和傳導(dǎo)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(yīng)而產(chǎn)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(jié)合，形成一個(gè) RLC 振蕩環(huán)路。當(dāng) FET 開始導(dǎo)通時(shí)，dI/dt 會(huì)導(dǎo)致寄生電感上產(chǎn)生振鈴，寄生電感通過 C_gd 耦合到 FET 的柵極。在 FET 完全導(dǎo)通并在其線性區(qū)域中運(yùn)行之前，F(xiàn)ET 最初會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)域，該飽和區(qū)域具有較高 g_m/增益，這通常不適合電力電子系統(tǒng)。在此飽和階段，F(xiàn)ET 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(huán)路。

通過布局優(yōu)化減少寄生效應(yīng)，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(tǒng)級(jí)的其他因素，有時(shí)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(gè)額外的電容器，從而需要更多電荷才能開啟 FET。雖然這兩個(gè)選項(xiàng)均可有效減少振鈴，但需要權(quán)衡取舍，因?yàn)樗鼈兌紩?huì)增加 FET 的開關(guān)時(shí)間，從而限制了驅(qū)動(dòng)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(guān)時(shí)間增加，開關(guān)損耗也會(huì)增加，從而降低效率。該效率降低強(qiáng)調(diào)了這樣的需求，即在不顯著影響柵極驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)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(qū)動(dòng)電路中的噪聲

鐵氧體磁珠非常適合在柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中用于減少開關(guān)柵極節(jié)點(diǎn)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(huì)降低最大驅(qū)動(dòng)電流，從而降低開關(guān)速度并增加開關(guān)損耗?？梢赃x擇鐵氧體磁珠來消除噪聲，而不會(huì)顯著降低峰值驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，從而使功率晶體管的開關(guān)行為相對(duì)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(shí)的噪聲超結(jié) MOSFET 開關(guān)。在這些圖中，添加鐵氧體磁珠會(huì)顯著降低柵極振蕩的幅度。建議在開關(guān)管的柵極使用鐵氧體磁珠來提高驅(qū)動(dòng)電路的可靠性，尤其是在開關(guān)有噪聲 FET（例如具有快速上升時(shí)間或低內(nèi)部柵極電阻的 FET）時(shí)。鐵氧體磁珠可與柵極電阻器串聯(lián)使用，以提供更大優(yōu)勢(shì)，如圖 1-5 所示，并應(yīng)盡可能靠近 FET 放置。

很明顯，鐵氧體磁珠可以降低系統(tǒng)中的噪聲，但也需要權(quán)衡取舍。向柵極驅(qū)動(dòng)路徑添加組件的一個(gè)常見問題是開關(guān)速度降低，這會(huì)導(dǎo)致效率降低。圖 1-6 顯示了采用鐵氧體磁珠（藍(lán)色）和不采用鐵氧體磁珠（黑色）時(shí)超結(jié) MOSFET 開關(guān)的上升柵極信號(hào)。觀察這兩個(gè)波形可以發(fā)現(xiàn)，鐵氧體磁珠對(duì)正常運(yùn)行的影響很小。

選擇鐵氧體磁珠

在為柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用選擇鐵氧體磁珠時(shí)，需要考慮兩個(gè)主要因素：飽和電流和目標(biāo)頻率的阻抗。

選擇鐵氧體磁珠時(shí)，最好在驅(qū)動(dòng)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(tǒng)中測(cè)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(shù)據(jù)表上的頻率與阻抗關(guān)系圖。該圖應(yīng)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(yīng)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(shí)更大限度地降低開關(guān)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(qū)動(dòng)應(yīng)用，因?yàn)樗陂_關(guān)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。

必須考慮的第二個(gè)因素是飽和電流，即鐵氧體磁珠失效時(shí)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(dá)到額定電流之前衰減會(huì)發(fā)生很大變化。考慮到這一點(diǎn)，務(wù)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)表
• Toshiba，功率 MOSFET 的寄生振蕩和振鈴