一位年輕應用工程師的高端電流檢測實驗經歷分享

2020-12-08 電子工程專輯

簡介

只要問任何經驗豐富的電氣工程師——如我們故事裡的教授Gureux——在MOSFET柵極前要放什麼，你很可能會聽到「一個約100 Ω的電阻。」雖然我們對這個問題的答案非常肯定，但人們仍然會問為什麼，並且想知道具體的作用和電阻值。為了滿足人們的這種好奇心，我們接下來將通過一個例子探討這些問題。年輕的應用工程師Neubean想通過實驗證明，為了獲得穩定性，是不是真的必須把一個100 Ω的電阻放在MOSFET柵極前。擁有30年經驗的應用工程師Gureux對他的實驗進行了監督，並全程提供專家指導。eUcEETC-電子工程專輯

高端電流檢測簡介


圖1.高端電流檢測。eUcEETC-電子工程專輯

圖1中的電路所示為一個典型的高端電流檢測示例。負反饋試圖在增益電阻RGAIN上強制施加電壓VSENSE。通過RGAIN的電流流過P溝道MOSFET (PMOS)，進入電阻ROUT，該電阻形成一個以地為基準的輸出電壓。總增益為eUcEETC-電子工程專輯

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電阻ROUT上的可選電容COUT的作用是對輸出電壓濾波。即使PMOS的漏極電流快速跟隨檢測到的電流，輸出電壓也會展現出單極點指數軌跡。eUcEETC-電子工程專輯

原理圖中的電阻RGATE將放大器與PMOS柵極隔開。其值是多少？經驗豐富的Gureux可能會說：「當然是100 Ω！」eUcEETC-電子工程專輯

嘗試多個Ω值

我們發現，我們的朋友Neubean，也是Gureux的學生，正在認真思考這個柵極電阻。Neubean在想，如果柵極和源極之間有足夠的電容，或者柵極電阻足夠大，則應該可以導致穩定性問題。一旦確定RGATE和CGATE相互會產生不利影響，則可以揭開100 Ω或者任何柵極電阻值成為合理答案的原因。eUcEETC-電子工程專輯


圖2.高端電流檢測仿真。eUcEETC-電子工程專輯

圖2所示為用於凸顯電路行為的LTspice仿真示例。Neubean通過仿真來展現穩定性問題，他認為，穩定性問題會隨著RGATE的增大而出現。畢竟，來自RGATE和CGATE的極點應該會蠶食與開環關聯的相位裕量。然而，令Neubean感到驚奇的是，在時域響應中，所有RGATE值都未出現任何問題。eUcEETC-電子工程專輯

結果發現，電路並不簡單


圖3.從誤差電壓到源電壓的頻率響應。eUcEETC-電子工程專輯

在研究頻率響應時，Neubean意識到，需要明確什麼是開環響應。如果與單位負反饋結合，構成環路的正向路徑會從差值開始，結束於結果負輸入端。Neubean然後模擬了VS/(VP – VS)或VS/VE，並將結果繪製成圖。圖3所示為該開環響應的頻域圖。在圖3的波特圖中，直流增益很小，並且交越時未發現相位裕量問題。事實上，從整體上看，這幅圖顯示非常怪異，因為交越頻率小於0.001 Hz。eUcEETC-電子工程專輯


圖4.高端檢測電路功能框圖。eUcEETC-電子工程專輯

將電路分解成控制系統的結果如圖4所示。就像幾乎所有電壓反饋運算放大器一樣， LTC2063具有高直流增益和單極點響應。該運算放大器放大誤差信號，驅動PMOS柵極，使信號通過RGATE – CGATE濾波器。CGATE和PMOS源一起連接至運算放大器的–IN輸入端。RGAIN從該節點連接至低阻抗源。即使在圖4中，可能看起來RGATE – CGATE濾波器應該會導致穩定性問題，尤其是在RGATE比RGAIN大得多的情況下。畢竟，會直接影響系統RGAIN電流的CGATE電壓滯後於運算放大器輸出變化。eUcEETC-電子工程專輯

對於為什麼RGATE和CGATE沒有導致不穩定，Neubean提供了一種解釋：「柵極源為固定電壓，所以，RGATE – CGATE電路在這裡是無關緊要的。你只需要按以下方式調整柵極和源即可。這是一個源極跟隨器。」eUcEETC-電子工程專輯

經驗更豐富的同事Gureux說：「實際上，不是這樣的。只有當PMOS作為電路裡的一個增益模塊正常工作時，情況才是這樣的。」eUcEETC-電子工程專輯

受此啟發，Neubean思考了數學問題——要是能直接模擬PMOS源對PMOS柵極的響應，結果會怎樣？換言之，V(VS)/V(VG)是什麼？Neubean趕緊跑到白板前，寫下了以下等式。eUcEETC-電子工程專輯

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其中，eUcEETC-電子工程專輯

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運算放大器增益為A，運算放大器極點為ωA。eUcEETC-電子工程專輯

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Neubean立刻就發現了重要項gm。什麼是gm？對於一個MOSFET，eUcEETC-電子工程專輯

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看著圖1中的電路，Neubean心頭一亮。當通過RSENSE的電流為零時，通過PMOS的電流應該為零。當電流為零時，gm為零，因為PMOS實際上是關閉的，未被使用、無偏置且無增益。當gm = 0時，VS/VE為0，頻率為0 Hz，VS/VG為0，頻率為0 Hz，所以，根本沒有增益，圖3中的曲線圖可能是有效的。eUcEETC-電子工程專輯

試圖用LTC2063發現不穩定問題

帶來這點啟示，Neubean很快就用非零的ISENSE嘗試進行了一些仿真。eUcEETC-電子工程專輯


圖5.非零檢測電流條件下從誤差電壓到源電壓的頻率響應。eUcEETC-電子工程專輯

圖5為條件下從VE到VS的響應增益/相位圖，該線跨越0dB以上到0dB以下，看起來要正常得多。圖5應該顯示大約2 kHz時，100 Ω下有大量的PM，100 kΩ下PM較少，1 MΩ下甚至更少，但不會不穩定。eUcEETC-電子工程專輯

Neubean來到實驗室，用高端檢測電路LTC2063得到一個檢測電流。他插入一個高RGATE值，先是100 kΩ，然後是1 MΩ，希望能看到不穩定的行為，或者至少出現某類振鈴。不幸的是，他都沒有看到。eUcEETC-電子工程專輯

他嘗試加大MOSFET裡的漏極電流，先增加ISENSE，然後使用較小的RGAIN電阻值。結果仍然沒能使電路出現不穩定問題。eUcEETC-電子工程專輯

他又回到了仿真，嘗試用非零ISENSE測量相位裕量。即使在仿真條件下也很難，甚至不可能發現不穩定問題或者低相位裕度問題。eUcEETC-電子工程專輯

Neubean找到Gureux，問他為什麼沒能使電路變得不穩定。Gureux建議他研究一下具體的數字。Neubean已經對Gureux高深莫測的話習以為常，所以，他研究了RGATE和柵極總電容形成的實際極點。在100 Ω和250 pF下，極點為6.4 MHz；在100 kΩ下，極點為6.4 kHz；在1 MΩ下，極點為640 Hz。LTC2063增益帶寬積(GBP)為20 kHz。當LTC2063具有增益時，閉環交越頻率可能輕鬆下滑至RGATE– CGATE 極點的任何作用以下。eUcEETC-電子工程專輯

是的，可能出現不穩定問題

意識到運算放大器動態範圍需要延伸至RGATE – CGATE極點的範圍以外，Neubean選擇了一個更高增益帶寬積的運放。LTC6255 5 V運算放大器可以直接加入電路，增益帶寬積也比較高，為6.5 MHz。eUcEETC-電子工程專輯

Neubean急切地用電流、LTC6255、100 kΩ柵極電阻和300 mA檢測電流進行了仿真。eUcEETC-電子工程專輯

然後，Neubean在仿真裡添加了RGATE。當RGATE足夠大時，一個額外的極點可能會使電路變得不穩定。eUcEETC-電子工程專輯


圖6.有振鈴的時域圖。eUcEETC-電子工程專輯


圖7.增加電流（VE至VS）後的正常波特圖，相位裕量表現糟糕。eUcEETC-電子工程專輯

圖6和圖7顯示的是在高RGATE值條件下的仿真結果。當檢測電流保持300 mA不變時，仿真會出現不穩定情況。eUcEETC-電子工程專輯

實驗結果

為了了解電流是否會在檢測非零電流時出現異常行為，Neubean用不同步進的負載電流和三個不同的RGATE值對LTC6255進行了測試。在瞬時開關切入更多並行負載電阻的情況下，ISENSE從60 mA的基數過度到較高值220 mA。這裡沒有零ISENSE測量值，因為我們已經證明，那種情況下的MOSFET增益太低。eUcEETC-電子工程專輯

實際上，圖8最終表明，使用100 kΩ和1 MΩ電阻時，穩定性確實會受到影響。由於輸出電壓會受到嚴格濾波，所以，柵極電壓就變成了振鈴檢測器。振鈴表示相位裕量糟糕或為負值，振鈴頻率顯示交越頻率。eUcEETC-電子工程專輯


圖8.RGATE= 100 Ω，電流從低到高瞬態。eUcEETC-電子工程專輯


圖9.RGATE = 100 Ω，電流從高到低瞬態。eUcEETC-電子工程專輯


圖10.RGATE = 100 kΩ，電流從低到高瞬態。eUcEETC-電子工程專輯


圖11.RGATE = 100 kΩ，電流從高到低瞬態。eUcEETC-電子工程專輯


圖12.RGATE = 1 MΩ，電流從低到高瞬態。eUcEETC-電子工程專輯


圖13.RGATE= 1 MΩ，電流從高到低瞬態。eUcEETC-電子工程專輯

頭腦風暴時間

Neubean意識到，雖然看到過許多高端集成電流檢測電路，但不幸的是，工程師根本無力決定柵極電阻，因為這些都是集成在器件當中的。具體的例子有 AD8212, LTC6101, LTC6102,和LTC6104 高電壓、高端電流檢測器件。事實上，AD8212採用的是PNP電晶體而非PMOS FET。他告訴Gureux說：「真的沒關係，因為現代器件已經解決了這個問題。」eUcEETC-電子工程專輯

好像早等著這一刻，教授幾乎打斷了Neubean的話，說道："我們假設，你要把極低電源電流與零漂移輸入失調結合起來，比如安裝在偏遠地點的電池供電儀器。你可能會使用LTC2063或LTC2066 ，將其作為主放大器。或者你要通過470 Ω分流電阻測到低等級電流，並儘量準確、儘量減少噪聲；那種情況下，你可能需要使用 ADA4528，該器件支持軌到軌輸入。在這些情況下，你需要與MOSFET驅動電路打交道。"eUcEETC-電子工程專輯

所以 …

顯然，只要柵極電阻過大，使高端電流檢測電路變得不穩定是有可能的。Neubean向樂於助人的老師Gureux談起了自己的發現。Gureux表示，事實上，RGATE確實有可能使電路變得不穩定，但開始時沒能發現這種行為是因為問題的提法不正確。需要有增益，在當前電路中，被測信號需要是非零。eUcEETC-電子工程專輯

Gureux回答說：「肯定，當極點侵蝕交越處的相位裕量時，就會出現振鈴。但是，你增加1 MΩ柵極電阻的行為是非常荒謬的，甚至100 kΩ也是瘋狂的。記住，一種良好的做法是限制運算放大器的輸出電流，防止其將柵極電容從一個供電軌轉向另一個供電軌。」eUcEETC-電子工程專輯

Neubean表示贊同，「那麼，我需要用到哪種電阻值？」eUcEETC-電子工程專輯

Gureux自信地答道：「100 Ω」。eUcEETC-電子工程專輯

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