還在使用便宜的FET驅動器?工程師們,請當心!

我最近在給醫院的電動病床做電子設計。這個設計不難，只需在兩個方向使用六個致動器（actuator），外加幾個按鍵。4Awednc

競爭對手使用一對繼電器來切換馬達的方向，但我們決定在H 橋電路中使用場效電晶體（FET）作控制。這是典型的電路設計，而且並非我們為馬達控制所作的第一個電路設計。設計中會出錯嗎？結果發現問題很多。4Awednc

完成最初的原型組裝後，開始測試。一切似乎運作正常，但是由於某些原因，當我快速切換方向時（例如快速地按上、下按鈕時），實驗室的紅色LED顯示燈有時候會突然閃爍一下，這表明電流超過限制而發生了電路跳閘。為什麼會出現這種情況？這個電路板本身正在測試，沒有附加負載（只有微小的LED)，唯一的解釋就是H 橋短路。4Awednc

重新檢查控制驅動器的軟體，用示波器檢驗控制FET驅動器的信號，並確認我們在相反方向打開H 橋之前，已經完全關掉所有設備。但問題依然存在。4Awednc

然而，如果在切換方向時加上至少10ms的延遲，問題就消失了。我想這是一個解決辦法，對吧？在實際應用中，這種延遲並沒有任何影響，因為用戶不可能注意到這個微小的差異。但是我真的不太喜歡在生產設備時存在任何不明狀況。我得把問題弄個水落石出。4Awednc

現在來研究一下電路圖。因為客戶希望降低成本，因此我們沒有使用任何專用FET驅動器IC。如下圖所示，上方的柵極（Q1）由非常原始的分壓器控制，而底部的柵極（Q2）有較為精細的驅動器。實際上，底部驅動器的開關速度約為1μs，而上方驅動器的開關速度約為100μs。這種折衷方案很容易理解。我們不確定是否所有六個通道上都需要脈寬調製（PWM）功能，例如軟啟動/停止(soft start/stop)。我們這樣做的理由是讓上方其中一個柵極維持開啟狀態，並且對下方的柵極進行脈寬調製。因此，應用中只需要降低上方驅動器的速度。4Awednc

圖1：電路中沒有使用任何專用FET驅動器IC。4Awednc

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改變方向時，我們發現上方的驅動器速度變慢，在打開左、右兩邊柵極時會有200μs的延遲時間（反之亦然）。4Awednc

將每一次柵極切換（gate switching）事件分離出來，我們很快發現，這個問題與打開下方柵極時產生的問題是一致的。當時亂成一團，12V線路崩潰了，24V線路也崩潰了（其電流受到電源控制），底部驅動器的振蕩時間達到10到15μs。到底是怎麼回事？！4Awednc

同時，H橋的地迴路（ground return path）出現了極大的突波（surge）。起初我以為接地反彈（ground bounce）會大到足以關閉Q39，並打開橋底錯誤的那一面。可能情況也的確如此，因為直接連接CPU接地和橋接地會防止過電流跳閘（overcurrent tripping）。但是原來的接地反彈來自何方？接地的布線設計（layout）經過一次又一次的反覆檢查，確認沒有任何錯誤。將接地（ground）連接起來沒有任何意義，因此也無法解決問題。 4Awednc

通過對問題進行充分的研究分析，我意識到可能是頂部驅動器的原因。的確，將電阻R1和R15降低到500Ω會減少接地反彈，並停止過電流跳閘。但是問題依然存在，只是受影響的程度大大降低。4Awednc

然後我就知道原因了。例如，當我打開左邊的柵極（Q1B）後，橋的輸出都是24V（因為它們通過負載連接，底部柵極是關閉的）。當我打開右邊的柵極（Q2A）時，我有一個電容分壓器—— Cgd和Cgs，它由上方的FET Q1A所形成，柵極為分壓器的中點。電流對電容進行充電使上方的柵極變成12V，與源極(source)相對應，因此導通了右上方的柵極。現在電流直接流過橋的右側，結果出現接地反彈，並打開了左下方的柵極。現在四邊的柵極都打開了！ 24V線路開始崩潰，導致12V線路斷電。4Awednc

事後看來，原因似乎顯而易見。如果不需要快速切換功能，為什麼要設置快速且功能強大的FET驅動器？吃一塹長一智，不要再將電阻驅動器當作功率FET了。4Awednc

《電子技術設計》2017年7月刊版權所有，謝絕轉載。4Awednc

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