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MOS电路的振荡讨论

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#申请原创# @21小跑堂
MOS管是工程师打交道最多的器件,由于MOS管有三个工作区域,截至区,饱和区和可变电阻区。尤其是从饱和区向可变电阻区变化的过程,当外围参数设计不合理的时候,就很容易出现各种不受控的异常波形,造成电路不能完成预定过程。
MOS管长时间工作在饱和区,这个一般是芯片内部工作的场景,此时MOS就具有放大的能力,可以将输入信号的微小变化,转化为输出电流的变化,两者之间的关系用跨导gs来表示,但是在大部分工程产品应用中,MOS主要是做开关区控制电路,稳态工作在可变电阻区,此时MOS的导通电阻很小,不用担心会出什么问题。但是MOS的开关电路外围参数设计的不合理,在MOS开启或者关闭的时候,就会造成输出电压振荡。
比如下面的的电路,当输入Vin由MOSFET来控制开和关,后级的R3代表一个负载芯片,开关S1来模拟芯片的EN信号,当out电压低于EN阈值,就关闭芯片。正常断电过程,是控制信号关闭Q1,功率MOS关闭,随后负载芯片的电压单调线性下降。但是开关MOS不能及时关闭,输出负载芯片还在用电,从而就会导致输出Vout振荡。就如下图的仿真过程,可以明显的看出输出电压在振荡,会造成后级负载反复上电。

造成这种现象的原因是,在MOS的关闭过程,输出电压开始缓慢下降,输出电压out是负载芯片R3和MOS的沟道阻抗Rds的分压比,Vout=R3/(R3+Rds)。
MOS管在关闭过程,MOS管的Vsg从11V变化到2V(其阈值电压)的过程,PMOS从可变电阻区过度到饱和区。在可变电阻区阶段,Rds的阻抗很小。进入饱和区,Vsg不断变小,MOS的沟道电阻会不断增大,负载芯片R3的电流还在消耗,相当于R3的阻抗是固定的。按照分压公式,输出电压就会缓慢下降。
由于负载R3是芯片,是存在欠压阈值保护,当输出电压降低在某个时候,负载R3芯片就关闭,从而R3芯片不消耗电流。那么R3的阻抗就会突变变化为无穷大。而此时Rds还不够大,按照简单的数学公式,一个无穷大的数除无穷大的数加有限值,结果趋向于1。此时输出电压就会从小变大,在波形上就会变现为振荡。
而当输出电压升高过程,又会达到负载芯片R3的工作电压,负载阻抗又从无穷大变为有限值。而此时MOS的沟道阻抗依然在增加,所以输出电压在下降。在这样反反复复的拉扯过程,MOS的Vsg电压终于小于阈值电压,MOS的沟道电阻Rds也趋向于无穷大,输出电压终于降低到0.,而不再反复。
尽管分析过程有些长,实际这些过程在几微秒就完成了,下图仿真,也很清晰的反映出,Rds从几百微欧到上百K的变化。

所以知道有这个过程,就需要做一些防护:
一是要提高后级负载的EN电压,不会因为电压抬升而二次开启。但是这种方法过于依赖后级电路,对电路设计由制约。
二是要快速关闭MOS,让输出电压通过输出电容单调放电。通过调整MOS的分压电阻,快速放电C2,实现MOS快速关闭,输出电压单调下电。

这种方法,就会增加电阻R2的损耗,同时Vsg的分压也不够,在MOS开启的时候就会显得慢。可以换一个思路,依然保证R2=10K, 要是在MOS关断的时候,马上将Vsg=0,就可以迅速关闭MOS,减少MOS从可变电阻区到饱和区的过渡时间,从而迅速进入截至区。也能实现和减小R2阻值同样的效果。

电路的改进方法有多种,最后取得一个平衡,从而得到理想的电路效果。

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