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噪声是栅极驱动电路的长期敌人。 无论是电源纹波还是功率 FET 栅极处的振铃，噪声都会导致不可预测的行为并降低系统可靠性。 铁氧体磁珠是工程师必须防止此类损坏的工具之一。 这种方法是有效的，因为铁氧体磁珠减弱了高频振铃，同时对正常操作的影响最小。 本应用简介的目的是介绍铁氧体磁珠的基础知识、栅极驱动电路中振铃的来源以及如何使用铁氧体磁珠来解决这种振铃问题。 本文档中的材料适用于任何使用栅极驱动电路的人，但在使用涉及高开关频率或跨功率 FET 的快速 dV/dt 的系统时尤其重要。
铁氧体磁珠基础知识
铁氧体磁珠是被铁氧体包围的导体，铁氧体是一种具有磁性的陶瓷材料。铁氧体磁珠表现出与频率相关的电阻、电容和电感特性组合。通常，铁氧体磁珠的频率响应主要受其低频电感分量和其自谐振频率 (SRF) 附近高频电阻分量的支配。电容元件在高于 SRF 的频率下占主导地位。图 1 显示了一个等效电路模型，该模型演示了铁氧体磁珠的谐振行为。在实践中，这意味着铁氧体磁珠允许一定范围内的信号
频率范围以最小的影响通过，但将更高频率的其他信号作为热量消散。虽然铁氧体磁珠类似于具有低 Q 因子的电感器，但需要注意的是，铁氧体磁珠实际上会消耗能量，而不是存储能量的电感器。这允许选择铁氧体磁珠，以便它们降低目标频率的噪声，而不会显着扭曲原始信号。
栅极驱动电路中的噪声
在栅极驱动电路中，栅极上的噪声可能由多种来源引起，包括来自栅极驱动器电源的辐射噪声和传导噪声。 然而，最重要的噪声源是功率 FET 栅极的寄生振荡，如图 2 所示。FET 走线和引线的寄生电感与寄生电容 Cgd 和 Cgs 结合形成 RLC 振荡 环形。 当 FET 开始开启时，dI/dt 会导致通过 Cgd 耦合到 FET 栅极的寄生电感上的振铃。 在 FET 完全导通并在其线性区域工作之前，FET 最初会进入饱和区域，该区域具有高 gm/增益，通常不适合电力电子设备。在此饱和阶段，FET 会放大来自栅极的振荡 到可以通过 FET 的 Cgd 耦合的漏极，形成一个正反馈回路。
这种振铃可以通过布局优化减少寄生效应来减少，但功率 FET 固有地具有较大的寄生电容，并且有时由于系统级的其他因素而难以降低寄生电感。 解决这个问题的另外两种方法是增加栅极电阻，这有助于
阻尼振荡，或者在栅极到源极之间添加一个额外的电容器，需要更多的电荷来打开 FET。 虽然这两种选择都可以有效减少振铃，但需要权衡取舍，因为它们都增加了 FET 的开关时间，限制了栅极电阻器的驱动电流，或者增加了开启 FET 所需的电荷。 电容器的情况。 由于开关时间增加，开关损耗也会增加，从而降低m6体育。 这种m6体育的降低强调需要一种方法来抑制这些振荡，而不会显着影响栅极驱动电路的开关速度和m6体育。
使用铁氧体磁珠降低栅极驱动电路中的噪声
当用于减少开关栅极节点上的振铃和噪声时，铁氧体磁珠在栅极驱动应用中最有用。传统上，电阻器被用来降低这种栅极噪声，但使用电阻器会降低最大驱动电流，减慢开关速度并增加开关损耗。可以选择铁氧体磁珠来消除噪声，而不会显着降低峰值驱动强度，从而使功率晶体管的开关行为保持相对不变。下面的波形显示了图 3 中没有铁氧体磁珠的噪声超级结 MOSFET 开关，图 4 中的栅极和输出之间有铁氧体磁珠。
铁氧体磁珠显着降低了这些图中的栅极振荡幅度。建议在电源开关的栅极上使用铁氧体磁珠以提高驱动电路的可靠性，尤其是在切换有噪声的 FET 时，例如具有快速上升时间或低内部栅极电阻的 FET。如图 5 所示，铁氧体磁珠可以与栅极电阻串联使用以获得最大的好处，并且应尽可能靠近 FET 放置。

很明显，铁氧体磁珠可以降低系统中的噪声，但也需要权衡取舍。 向栅极驱动路径添加组件的一个常见问题是降低开关速度，这会导致m6体育降低。 图 6 显示了使用（蓝色）和不使用（黑色）铁氧体磁珠的超结 MOSFET 开关的上升栅极信号。 从这两个波形来看，铁氧体磁珠对正常运行的影响很小。
选择铁氧体磁珠
在为栅极驱动应用选择铁氧体磁珠时，需要考虑两个主要因素：饱和电流和感兴趣频率下的阻抗。
选择铁氧体磁珠时，希望在驱动频率下具有最小阻抗，在噪声频率下具有高阻抗。通常，栅极振荡约为 100 MHz，但也可以在系统中测量此噪声频率，以帮助选择最佳铁氧体磁珠。选择合适的铁氧体磁珠需要查看器件数据表上的频率与阻抗图。该图应包括三条线，即总阻抗 (Z)、阻抗的电感分量 (X) 和阻抗的电阻分量 (R)。应选择铁氧体磁珠，以使电阻元件在噪声频率处最大化以耗散尽可能多的能量，同时将开关频率处的总阻抗最小化以防止不必要的损耗。图 7 显示了基于 TDK 的 MPZ1608 系列的铁氧体磁珠阻抗的示例图。该图表示的铁氧体磁珠适用于许多栅极驱动应用，因为它在开关频率下具有低于 1 MHz 的非常低的阻抗，但从 10 MHz 开始具有高阻抗并一直增加到 300 MHz。
必须考虑的第二个因素是饱和电流，即铁氧体磁珠失效的电流。 铁氧体磁珠的性能很大程度上取决于饱和电流，在达到额定电流之前衰减会发生很大变化。 考虑到这一点，确保阻抗在峰值电流下保持足够高以充分衰减噪声非常重要。 数据表中并不总是提供此信息，因此可能需要向铁氧体磁珠的制造商索取此信息。