نویز دشمن دیرینه مدارهای درایو گیت است. خواه نویز منبع تغذیه باشد یا نوسانات (Ringing) در گیت یک FET قدرت، نویز می تواند باعث رفتار غیرقابل پیش بینی شود و قابلیت اطمینان سیستم را کاهش دهد. فریت بیدها یکی از ابزارهایی هستند که مهندسان برای جلوگیری از چنین آسیب هایی دارند. استفاده از فریت بیدها در مدارات درایو گیت یک روش موثر است زیرا فریت بیدها Ringing فرکانس بالا را کاهش میدهند در حالی که حداقل تاثیر را بر عملکرد عادی درایو گیت دارند. هدف از این پست، پوشش اصول اولیه استفاده از فریت بیدها در گیت، منبع Ringing در مدارهای درایو گیت و نحوه استفاده از فریت بیدها برای حل مشکل Ringing در گیت است. مطالب موجود در این پست برای هر کسی که با مدارهای درایو گیت کار میکند مرتبط است، اما اهمیت این مطالب در هنگام کار با سیستمهایی که فرکانسهای سوئیچینگ بالا یا dV/dt سریع دارند دوچندان خواهد بود.
اصول کاری فریت بید
فریت بید، رسانایی است که توسط فریت، یک ماده سرامیکی با خواص مغناطیسی احاطه شده است. دانه های فریت ترکیبی وابسته به فرکانس از خواص مقاومتی، خازنی و سلفی را نشان می دهند. به طور کلی، در پاسخ فرکانسی یک فریت بید، در فرکانس های پایین مؤلفه سلفی آن و در فرکانسهای نزدیک به فرکانس رزونانس خودی (SRF)، مؤلفه مقاومتی غالب است. عنصر خازنی در فرکانس های بالاتر از SRF غالب می شود. شکل زیر یک مدل مدار معادل را نشان می دهد که رفتار رزونانسی یک فریت بید را نشان می دهد. در عمل، این شکل بدان معنی است که فریت بیدها به سیگنالهایی در محدوده فرکانسی خاص اجازه میدهند تا با کمترین اثر عبور کنند، اما سیگنالهای دیگر را در فرکانسهای بالاتر به صورت تلفات حرارتی از بین میبرند. در حالی که فریت بیدها شبیه به سلفهایی با ضریب Q پایین هستند، مهم است که توجه داشته باشیم که فریت بیدها در واقع انرژی را از بین میبرند، برخلاف سلفهایی که انرژی را ذخیره میکنند. این موضوع اجازه می دهد تا فریت بیدها به گونه ای انتخاب شوند که نویز را در فرکانس های هدف کاهش دهند، بدون اینکه سیگنال اصلی را به طور قابل توجهی تحریف کنند.
نویز در مدارهای درایو گیت
در مدار درایو گیت، نویز روی گیت ممکن است توسط منابع مختلفی از جمله نویز تابشی و نویز هدایتی از منبع تغذیه درایور گیت ایجاد شود. با این حال، مهم ترین منبع نویز، نوسانات پارازیتی گیت FET قدرت است که به دلیل المانهای پارازیتی نشان داده شده در شکل زیر است. اندوکتانس های پارازیتی مسیرهای PCB و پایه های FET با خازن های پارازیتی Cgd و Cgs ترکیب می شوند تا یک حلقه RLC را تشکیل دهند. هنگامی که FET شروع به روشن شدن می کند، dI/dt می تواند باعث ایجاد رینگینگ در روی اندوکتانس پارازیتی شود که از طریق Cgd به گیت FET کوپل می شود. قبل از اینکه FET به طور کامل روشن شود و در ناحیه خطی خود کار کند، FET ابتدا از ناحیه اشباع که دارای بهره (gm) بالایی است و معمولاً برای الکترونیک قدرت نامطلوب است عبور می کند. در طول این مرحله اشباع، FET نوسانات را از گیت به درین تقویت می کند که می تواند از طریق خازن Cgd مجدد به گیت کوپل شود و یک حلقه فیدبک مثبت ایجاد کند.
این رینگینگ ها را می توان با کاهش المانهای پارازیتی از طریق بهینه سازی طرح بندی و چیدمان PCB کاهش داد، اما FET های قدرت ذاتا خازنهای پارازیتی زیادی دارند و گاهی اوقات کاهش اندوکتانس پارازیتی به دلیل عوامل دیگر در سطح سیستم دشوار است. دو روش دیگر برای حل این مشکل، افزایش مقاومت گیت است که به خنثی شدن نوسانات کمک می کند، یا اضافه کردن یک خازن اضافی از گیت به سورس، که نیاز به شارژ بیشتری برای روشن کردن FET دارد. در حالی که هر دوی این گزینهها میتوانند در کاهش رینگینگ موثر باشند، اما یک مصالحه وجود دارد زیرا هر دوی این روشها زمان کلیدزنی FET را افزایش میدهند، جریان درایو را در مورد مقاومت گیت محدود میکنند، یا شارژ مورد نیاز برای روشن کردن FET را افزایش میدهند. مورد اضافه کردن خازن گیت-سورس از آنجایی که زمان سوئیچینگ افزایش می یابد، موجب میشود تلفات سوئیچینگ نیز افزایش یابد و بازده را کاهش می دهد. این کاهش راندمان بر نیاز به راهی برای میرا کردن این نوسانات بدون تأثیر قابل توجهی بر سرعت سوئیچینگ و بازدهی مدار درایو گیت تأکید می کند.
استفاده از فریت بید برای کاهش نویز گیت درایو
فریت بیدها زمانی که برای کاهش رینگینگ و نویز در گره گیت کلید استفاده می شود، در کاربردهای درایو گیت بیشترین کاربرد را دارند. به طور سنتی برای کاهش نویز گیت از مقاومت ها استفاده می شد، اما استفاده از مقاومت حداکثر جریان درایو را کاهش می دهد، سرعت سوئیچینگ را کاهش می دهد و تلفات سوئیچینگ را افزایش می دهد. فریت بیدها را می توان برای حذف نویز بدون کاهش قابل توجه قدرت درایو کلید انتخاب کرد و رفتار سوئیچینگ ترانزیستور قدرت را نسبتاً بدون تغییر باقی گذاشت. شکل موج زیر رفتار سوئیچینگ گیت ماسفت پرنویز را بدون فریت بید و با یک فریت بید بین گیت و خروجی در شکل بعدی نشان می دهد. افزودن فریت بید به طور قابل توجهی میزان نوسانات گیت را در این شکل ها کاهش داده است.
استفاده از یک فریت بید بر روی گیت کلید قدرت برای بهبود قابلیت اطمینان مدار درایو، به ویژه هنگام تعویض یک FET مستعد نویز، به عنوان مثال FET با زمان Rise سریع یا مقاومت گیت داخلی کم، توصیه می شود. فریت بید را می توان به صورت سری با مقاومت های گیت استفاده کرد تا بیشترین سود را به دست آورد، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است و باید تا حد امکان نزدیک به FET قرار گیرد.
واضح است که فریت بیدها می توانند نویز را در یک سیستم کاهش دهند، اما ممکن است مصالحههایی وجود داشته باشد. یکی از نگرانی های رایج با افزودن قطعات به مسیر درایو گیت، کاهش سرعت سوئیچینگ است که منجر به کاهش راندمان می شود. شکل زیر سیگنال بالارونده گیت یک ماسفت را نشان می دهد که هم با (به رنگ آبی) و هم بدون (رنگ سیاه) یک فریت بید کلیدزنی می کند. با نگاهی به دو شکل موج، فریت بید کمترین تأثیر را بر عملکرد عادی دارد.
انتخاب فریت بید
هنگام انتخاب یک فریت بید برای کاربردهای درایو گیت، دو عامل اصلی باید در نظر گرفته شود: جریان اشباع و امپدانس در فرکانس های مورد نظر.
هنگام انتخاب یک فریت بید، مطلوب است که حداقل امپدانس در فرکانس درایو گیت و امپدانس بالا در فرکانس نویز وجود داشته باشد. به طور کلی، نوسان گیت در حدود ۱۰۰ مگاهرتز است، اما این فرکانس نویز را می توان در سیستم اندازه گیری کرد تا به انتخاب بهترین فریت بید کمک کند. انتخاب یک فریت بید مناسب شامل بررسی نمودار فرکانس در مقابل امپدانس در برگه اطلاعات دستگاه است. این نمودار باید شامل سه خط، امپدانس کلی (Z)، مولفه امپدانس القایی (X) و مولفه امپدانس مقاومتی (R) باشد. یک مهره فریت باید به گونه ای انتخاب شود که مولفه مقاومتی در فرکانس نویز به حداکثر برسد که تا حد ممکن انرژی اتلاف شود، در حالی که امپدانس کلی در فرکانس سوئیچینگ به حداقل برسد تا از تلفات ناخواسته جلوگیری شود. یک نمودار نمونه برای امپدانس یک فریت بید در شکل زیر بر اساس سری MPZ1608 TDK نشان داده شده است. فریت بید نشاندادهشده توسط این نمودار میتواند برای بسیاری از کاربردهای درایو گیت کار کند، زیرا دارای امپدانس بسیار پایین زیر ۱ مگاهرتز در فرکانس سوئیچینگ است، اما امپدانس بالایی دارد که از ۱۰ مگاهرتز شروع میشود و تا ۳۰۰ مگاهرتز افزایش مییابد.
دومین عاملی که باید در نظر گرفته شود جریان اشباع است، جریانی که در آن یک فریت بید کارایی خود را از دست می دهد. عملکرد فریت بید به طور قابل توجهی به جریان اشباع بستگی دارد، با میرایی که قبل از رسیدن به آن جریان نامی به خوبی تغییر می کند. با در نظر گرفتن این موضوع، مهم است که اطمینان حاصل شود که امپدانس در جریان های پیک به اندازه کافی بالا باقی می ماند تا نویز به اندازه کافی کاهش یابد. این اطلاعات همیشه در برگه داده موجود نیست، بنابراین ممکن است لازم باشد این اطلاعات را از سازنده فریت بید درخواست کنید.