Analogtipp Parasitäre Oszillation beim Hot Swapping

Dieser Tipp beschreibt die Theorie der parasitären Oszillation und gibt einen Leitfaden zur korrekten Implementierung. Damit lässt sich eine unnötige Layoutänderung der Baugruppe vermeiden.

Hot-Swap-Komponenten, die auf der stromführenden Seite (High Side) N-Kanal-MOSFET-Schalter verwenden, können während des Hochfahrens und bei der Strombegrenzung oszillieren. Obwohl dies kein unbekanntes Problem ist, fehlen in den Datenblättern häufig detaillierte Informationen zur Lösung. Das einfache Hinzufügen eines kleinen Gate-Widerstands als schnelle Lösung ohne umfassendes Verständnis für die grundlegenden Prinzipien von Oszillationen kann in einem Layout enden, das für Schwingungen anfällig ist.

Auf den ersten Blick mag das Hinzufügen eines Gate-Widerstands überflüssig erscheinen, da der Widerstand im Gate des NFETs unendlich ist. Kann der Entwickler das Bauteil also folgenlos weglassen?

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Der 10-Ohm-Gate-Widerstand wirkt als vorbeugende Maßnahme, um Klingeln an der Gate-Diode zu unterdrücken. Der Gate-Knoten beinhaltet alle Komponenten eines Schwingkreises, beginnend bei der Gate-Leitung selbst. Eine lange Leiterbahn auf der Leiterplatte bringt eine parasitäre Induktivität und verteilte Kapazität in eine nahe gelegene Massefläche ein, wodurch ein Massepfad entsteht. Leistungs-FETs, die für den sicheren Betriebsbereich (SOA) optimiert sind, haben eine Gate-Kapazität im Bereich von Nanofarad, die steigt, wenn zusätzliche FETs parallelgeschaltet werden. Zenerdioden, die zum Klemmen der U_GS eines FETs verwendet werden, tragen ebenfalls zur parasitären Kapazität bei (obwohl die C_ISS von einem Leistungs-FET dominiert).

Was hat es mit dem Kippschwingkreis (Colpitts Oscillator) auf sich?

Wird ein typischer PowerPath-Controller mit parasitären Kapazitäten als sogenannter „Rotated Controller“ beschaltet, wird seine Ähnlichkeit mit einem Kippschwingkreis (Colpitts Oscillator) deutlich. Das ist ein Schwingkreis mit zusätzlicher Verstärkung, der fortwährende Schwingungen generiert. Diese Konfiguration findet sich in PowerPath-Controllern, die N-Kanal-FETs nutzen.

Ein Kippschwingkreis nutzt einen Puffer, um eine positive Rückkopplung über einen kapazitiven Teiler zu liefern. In den PowerPath-Controllern wird dies mit einem FET realisiert. Da dies eine Common-Drain/Source-Folger-Konfiguration ist, wirkt sie als AC-Puffer mit verbesserter Leistung bei höheren Drain-Strömen.

Das Signal am oberen Ende des kapazitiven Teilers wird in die Mitte des Teilers eingespeist, was einen Anstieg des Signals am oberen Ende des Teilers verursacht. Schwingungen treten in Situationen auf, bei denen der FET nicht vollständig verstärkt. Dies tritt beim Einschalten ein, wenn die Gate-Spannung hochfährt und der Ausgangskondensator aufgeladen wird, außerdem bei einer aktiven Strombegrenzung durch den Controller oder wenn die Spannung geregelt wird (Überspannungsschutzgeräte).

Kippschwingkreis-Topologie validieren: Die Basisschaltung

Um das Konzept des Schalt-FETs in einer Kippschwingkreis-Topologie zu validieren, wurde eine Basisschaltung ohne ein Gate-Treiber-IC konstruiert (Bild 3). Dabei bilden C_GS des FETs und C2 den Teiler. Es traten Schwingungen auf, was zeigte, dass dieser NFET-Schalter auf der stromführenden Seite in einer Colpitts-Topologie ist.

Nun betrachtet man einen Hot-Swap-Controller und modifiziert ihn so, dass er Schwingungen induziert. Um mit einer kapazitiven Last zu beginnen, wurde ein Demo-Board verwendet. Während des Einschaltens (Start-up) fährt die Gate-Spannung mit einem eingestellten dV/dt hoch, dem der Ausgang folgt.

Der Einschaltstrom wird in den Ausgangskondensator von dV/dt gesteuert. Um die Transkonduktanz des FETs (gm), zu steigern, wird der Einschaltstrom auf einen relativ hohen Wert von 3 A eingestellt. Die anderen Komponenten der vereinfachten Testschaltung wurden so gewählt, dass die Ergebnisse realitätsnah waren.

Die GATE- und OUT-Signale schwingen, sobald die Gate-Spannung bis auf die Schwellenspannung hochgefahren ist. Dieses Klingeln wird von dem plötzlichen Anstieg im GATE-Signal verursacht und resultiert in einem Überschwingen des Eingangsstroms.

Um das transiente Überschwingen in eine kontinuierliche Oszillation zu bringen, muss die Verstärkung des FETs gesteigert werden. Erhöht man U_IN von 12 auf 18 V, steigen sowohl der Laststrom als auch gm. Dies verstärkt die positive Rückkopplung ausreichend, um die Oszillation beizubehalten. Da nun das Problem nachgebildet ist, wurde zur bekannten Lösung ein 10-Ohm-Widerstand in Reihe zum Kondensator geschaltet. Dies stoppt die Schwingungen effektiv und resultiert in einem sauberen Hochfahren.

Kehrt man zum grundlegenden NFET-Colpitts-Oszillator zurück, kann die Dämpfung von R_GATE mit einem schaltbaren Gate-Widerstand angezeigt werden. Schaltet man ihn z.B. von 0 schrittweise bis 10 V, werden die Schwingungen entsprechend gedämpft.

Was also bringt ein 10-Ohm-Widerstand am Gate?

Das Platzieren des 10-Ohm-Widerstands so nahe wie möglich am Gate-Pin des FETs trennt die parasitäre Induktivität der Leiterbahnen von der Eingangskapazität des FETs.

Dies eliminiert das Potenzial für Gate-Klingeln oder Oszillationen und kann dem Entwickler viele Stunden für die Fehlersuche und das Überarbeiten der Schaltung ersparen. (kr)

* Aaron Shapiro ist Product Applications Engineer bei Analog Devices in Wilmington / USA.

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