MOS管柵極上的上拉電阻和下拉電阻在電路圖里往往只是兩個(gè)不起眼的小元件但它們的作用直接決定整級(jí)開關(guān)電路在啟動(dòng)瞬間、驅(qū)動(dòng)異常和強(qiáng)干擾環(huán)境下是否可靠。上拉電阻把柵極在空閑時(shí)拉向高電平下拉電阻把柵極在空閑時(shí)拉向低電平對(duì)大多數(shù)以 N 溝道增強(qiáng)型 MOS 管搭建的低邊開關(guān)柵極到源極之間并聯(lián)一只 10kΩ 到 100kΩ 的下拉電阻是防止上電誤通和隨機(jī)導(dǎo)通最常見的做法。MOS 管是電壓控制器件柵極、源極之間存在絕緣氧化層?xùn)艠O輸入阻抗高達(dá)幾十兆歐甚至更高因此靜態(tài)時(shí)幾乎沒有電流流入柵極。這樣的高阻節(jié)點(diǎn)一旦懸空周圍環(huán)境中的電磁耦合、電荷注入或 PCB 表面漏電都可能把 Vgs 悄悄抬高。當(dāng) Vgs 超過閾值電壓 Vgs(th) 后即使驅(qū)動(dòng)引腳沒有輸出MOS 管也會(huì)自己導(dǎo)通而這種導(dǎo)通在驅(qū)動(dòng)邏輯上并沒有對(duì)應(yīng)的控制指令排查起來很有迷惑性。這篇文章以分立 MOS 管開關(guān)電路為主線拆解柵極上拉/下拉電阻的三大作用防止柵極懸空導(dǎo)致的誤導(dǎo)通、為柵極電荷提供泄放回路、確定靜態(tài)偏置并抑制干擾。隨后給出阻值選取方法、幾種典型電路的接法、常見故障排查路徑以及學(xué)習(xí)環(huán)境和生產(chǎn)環(huán)境下不同的柵極網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)建議。1. 先理解為什么 MOS 管柵極不能懸空1.1 上拉電阻和下拉電阻的基本定義上拉電阻是指一端連接電源正極、另一端連接目標(biāo)節(jié)點(diǎn)使節(jié)點(diǎn)在空閑狀態(tài)下趨向高電平的電阻。下拉電阻則是一端連接 GND、另一端連接目標(biāo)節(jié)點(diǎn)使節(jié)點(diǎn)在空閑狀態(tài)下趨向低電平的電阻。這個(gè)定義來自數(shù)字邏輯電路其實(shí)在 MOS 管開關(guān)電路里含義是一樣的只是關(guān)注點(diǎn)更明確讓柵極在一個(gè)可預(yù)期的電位上而不是漂浮不定。MOS 管柵極的上下拉電阻接入位置通常是柵極和源極之間而不是簡(jiǎn)單地從柵極拉到系統(tǒng)電源或者拉到地。這樣做的原因是 MOS 管的開關(guān)狀態(tài)由 Vgs 決定也就是柵極和源極之間的電壓差。只有把柵極電位固定到和源極相同或接近的位置才能保證 MOS 管處于確定的關(guān)斷狀態(tài)。1.2 柵極高阻節(jié)點(diǎn)是根本原因增強(qiáng)型 MOS 管的柵極結(jié)構(gòu)和電容類似柵極金屬層、絕緣氧化層、半導(dǎo)體溝道區(qū)三者構(gòu)成一個(gè)電容。靜態(tài)條件下柵極電流幾乎是零所以外部驅(qū)動(dòng)信號(hào)只需要提供短暫的充電電流導(dǎo)通之后驅(qū)動(dòng)端就幾乎不再需要持續(xù)供電。高阻輸入帶來了兩個(gè)直接后果一是驅(qū)動(dòng)功耗很低這是 MOS 管相比三極管的優(yōu)勢(shì)二是外部干擾很容易改變柵極電位。一個(gè)懸空的柵極在示波器探頭靠近時(shí)都可能發(fā)生電平跳變更不要說在帶有高頻開關(guān)節(jié)點(diǎn)的 PCB 上。柵極上拉或下拉電阻本質(zhì)上是在這個(gè)高阻節(jié)點(diǎn)上并聯(lián)一個(gè)確定阻抗為電荷提供一個(gè)可控的泄放路徑把電位穩(wěn)定在預(yù)設(shè)狀態(tài)。1.3 串聯(lián)柵極電阻和上下拉電阻不是一回事設(shè)計(jì) MOS 管驅(qū)動(dòng)電路時(shí)容易把電阻混為一談。實(shí)際上有三類電阻承擔(dān)不同任務(wù)電阻類型接入位置主要作用常見阻值串聯(lián)柵極電阻 Rg驅(qū)動(dòng)輸出與柵極之間限制驅(qū)動(dòng)電流、抑制電壓振鈴、控制 dv/dt1Ω ~ 100Ω柵源上下拉電阻 Rgs柵極與源極之間固定靜態(tài)電平、泄放柵極電荷、抗干擾1kΩ ~ 100kΩ柵極限流/泄放網(wǎng)絡(luò)柵極與地或與源極之間在異常狀態(tài)下保護(hù)柵極氧化層視設(shè)計(jì)而定串聯(lián)柵極電阻解決的是驅(qū)動(dòng)回路的阻尼問題。驅(qū)動(dòng)芯片輸出端、PCB 走線寄生電感、柵極輸入電容這三級(jí)會(huì)構(gòu)成 RLC 串聯(lián)回路如果電阻過小開關(guān)瞬間會(huì)在柵極產(chǎn)生過沖和振鈴。柵源上下拉電阻則解決的是直流電位問題。理解了這個(gè)分工后面看電路圖時(shí)就不會(huì)把兩個(gè)電阻的作用搞混。2. 作用一防止柵極懸空誤導(dǎo)通保證上電可靠2.1 懸空柵極為什么容易被噪聲抬高電位柵極懸空時(shí)柵極電位并不是一個(gè)嚴(yán)格的零電位而是會(huì)隨著周圍電場(chǎng)波動(dòng)。PCB 上相鄰走線的高頻信號(hào)、變壓器漏感產(chǎn)生的磁場(chǎng)、功率回路的高 dv/dt 開關(guān)節(jié)點(diǎn)都可能通過寄生電容耦合能量到柵極。以 N 溝道增強(qiáng)型 MOS 管為例當(dāng) Vgs 超過 Vgs(th)漏源之間就會(huì)形成導(dǎo)電溝道。閾值電壓并不高。邏輯電平 MOS 管的 Vgs(th) 通常在 1V 到 2.5V普通功率 MOS 管也在 2V 到 4V 之間。也就是說只要柵極被耦合出 1V 到 4V 的電位管子就可能開始導(dǎo)通。懸空柵極相當(dāng)于接了一根沒有確定電平的天線這在功率電路里非常危險(xiǎn)。2.2 按“柵極到源極”的原則接線很多初學(xué)者會(huì)機(jī)械記憶 N 溝道加下拉、P 溝道加上拉。這個(gè)記憶方式在低邊開關(guān)場(chǎng)景下是對(duì)的但理解原理更有價(jià)值上下拉電阻應(yīng)該把柵極電位拉到和源極一致讓 Vgs 默認(rèn)等于 0V這樣增強(qiáng)型 MOS 管自然處于關(guān)斷狀態(tài)。N 溝道低邊開關(guān)源極接 GND因此柵極應(yīng)該接下拉電阻到 GND。P 溝道高邊開關(guān)源極接 VCC因此柵極應(yīng)該接上拉電阻到 VCC。如果 N 溝道 MOS 管用于高邊或半橋源極不是固定 GND這時(shí)柵極電阻應(yīng)該接回源極而不是簡(jiǎn)單接到系統(tǒng) GND。判斷方法很簡(jiǎn)單先看源極電位再把柵極通過電阻接到源極。這樣不管電路拓?fù)湓趺醋兓J(rèn)狀態(tài)都能被正確設(shè)置。2.3 半橋和 buck 電路中的直通風(fēng)險(xiǎn)在半橋或 buck 電路中上管和下管串聯(lián)在電源和地之間。如果下管因?yàn)闁艠O懸空而誤導(dǎo)通而上管又被正常驅(qū)動(dòng)電源直接經(jīng)過兩個(gè) MOS 管形成短路回路這一瞬間的電流可能達(dá)到幾十安培甚至更高。功率器件往往不是被過壓損壞而是在這種直通狀態(tài)下因過流發(fā)熱損壞。避免直通的常見手段包括驅(qū)動(dòng)芯片輸出端設(shè)置確定的默認(rèn)電平、增加固定死區(qū)時(shí)間、在柵極處增加上下拉電阻。柵極上下拉電阻解決的是驅(qū)動(dòng)輸出尚未建立時(shí)的空窗期問題。上電瞬間主控芯片的 GPIO 處于高阻狀態(tài)驅(qū)動(dòng)芯片可能還沒有完成初始化此時(shí)上下拉電阻是唯一能約束柵極電平的元件。2.4 誤導(dǎo)通的實(shí)際表現(xiàn)這類故障在現(xiàn)場(chǎng)往往呈現(xiàn)以下現(xiàn)象系統(tǒng)上電后負(fù)載在沒有任何指令的情況下開始工作或者在控制芯片復(fù)位的短暫時(shí)間內(nèi)負(fù)載出現(xiàn)異常動(dòng)作。用示波器抓取柵極電壓波形可以看到柵極電壓在芯片初始化完成前已經(jīng)被抬高到閾值以上。排查這類問題時(shí)示波器探頭要盡量靠近 MOS 管柵極并且使用短地線彈簧避免探頭地線過長引入額外噪聲。如果懷疑柵極懸空可以先用手指或絕緣棒靠近柵極走線觀察負(fù)載狀態(tài)是否跳動(dòng)也可以直接臨時(shí)并聯(lián)一只 10kΩ 電阻到源極看故障是否消失。3. 作用二為柵極電荷提供泄放回路改善關(guān)斷品質(zhì)3.1 從 MOS 管的開通過程看柵極電荷積累MOS 管開通時(shí)驅(qū)動(dòng)電路向柵極電容充電柵極電壓從零開始上升經(jīng)過 Vgs(th) 進(jìn)入米勒平臺(tái)區(qū)最后達(dá)到驅(qū)動(dòng)電壓。此時(shí)柵極上積累的正電荷數(shù)量約為 Qg這個(gè)電荷在關(guān)斷時(shí)必須被泄放掉Vgs 才會(huì)下降到閾值以下MOS 管才能關(guān)閉。驅(qū)動(dòng)推挽輸出級(jí)正常工作時(shí)關(guān)斷動(dòng)作由驅(qū)動(dòng)芯片主動(dòng)完成輸出級(jí)內(nèi)部下管導(dǎo)通把柵極電荷快速泄放到地。這個(gè)過程阻抗很低通常只有幾歐姆因此柵極外部并聯(lián)的上下拉電阻并不是關(guān)斷時(shí)的主導(dǎo)泄放通道。但在驅(qū)動(dòng)芯片關(guān)閉輸出、輸出級(jí)處于高阻狀態(tài)或者采用光耦、變壓器隔離驅(qū)動(dòng)等場(chǎng)景下外部電阻就成了唯一可靠的泄放通道。3.2 不同驅(qū)動(dòng)關(guān)斷方式下泄放路徑怎么變驅(qū)動(dòng)方式關(guān)斷時(shí)輸出狀態(tài)柵極電荷泄放路徑上下拉電阻的作用推挽柵極驅(qū)動(dòng)器低電平輸出驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部下拉管輔助泄放作用較小開路集電極/開漏驅(qū)動(dòng)高阻狀態(tài)外部上拉或下拉電阻主要泄放路徑光耦隔離驅(qū)動(dòng)高阻狀態(tài)外部電阻或關(guān)斷加速電路主要泄放路徑變壓器隔離驅(qū)動(dòng)繞組的續(xù)流回路外部電阻和整流二極管提供續(xù)流路徑加速復(fù)位從表中可以看出只要驅(qū)動(dòng)源不是主動(dòng)輸出低電平外部上下拉電阻就會(huì)從輔助角色變成主角。設(shè)計(jì)時(shí)不能只考慮正常工作狀態(tài)還要考慮驅(qū)動(dòng)芯片關(guān)閉電源、程序死機(jī)、驅(qū)動(dòng)輸出三態(tài)等異常場(chǎng)景。3.3 用 RC 時(shí)間常數(shù)估算關(guān)斷速度柵極泄放回路的近似模型是 RC 放電外部柵源電阻 R 與 MOS 管輸入電容 Ciss 串聯(lián)構(gòu)成一階 RC 電路。放電時(shí)間常數(shù) τ R x Ciss。理論放電到 1% 以下需要大約 5τ這個(gè)過程越短MOS 管越快退出線性區(qū)。以下用 Python 快速估算幾組典型電阻值下的放電時(shí)間Ciss 10e-9 # 典型功率MOS管輸入電容單位F resistances [1e3, 4.7e3, 10e3, 47e3, 100e3] for R in resistances: tau R * Ciss t_5tau 5 * tau print(fR{R:8.0f} Ω | tau{tau*1e6:6.2f} μs | 5*tau{t_5tau*1e6:6.2f} μs)運(yùn)行結(jié)果R 1000 Ω | tau 10.00 μs | 5*tau 50.00 μs R 4700 Ω | tau 47.00 μs | 5*tau235.00 μs R 10000 Ω | tau100.00 μs | 5*tau500.00 μs R 47000 Ω | tau470.00 μs | 5*tau2350.00 μs R 100000 Ω | tau1000.00 μs | 5*tau5000.00 μs如果在開關(guān)頻率 100kHz 的 buck 電路中10kΩ 下拉電阻單獨(dú)放電需要 500μs這完全不可接受。所以正常工作時(shí)不能依賴 10kΩ 電阻提供快速關(guān)斷關(guān)斷主要還是靠驅(qū)動(dòng)器的主動(dòng)下拉。在驅(qū)動(dòng)輸出高阻的場(chǎng)合如果要求幾微秒內(nèi)關(guān)斷上下拉電阻值需要降到幾百歐到 1kΩ同時(shí)要檢查功耗。3.4 關(guān)斷過快帶來的新問題把柵源電阻調(diào)小可以加快放電但并不是越快越好。關(guān)斷速度越快漏極電流的變化率 di/dt 越大功率回路寄生電感上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓越高容易在漏源之間形成電壓尖峰嚴(yán)重時(shí)超過 VDS 額定值損壞 MOS 管。此外上下拉電阻太小會(huì)增加驅(qū)動(dòng)電路的靜態(tài)功耗和驅(qū)動(dòng)負(fù)載。以 12V 驅(qū)動(dòng)電壓計(jì)算1kΩ 電阻上的靜態(tài)電流是 12mA功耗約 144mW10kΩ 電阻則只有 1.2mA功耗約 14.4mW。在電池供電設(shè)備里這個(gè)差別會(huì)比想象中更明顯。因此阻值選擇要在關(guān)斷速度、電壓尖峰、靜態(tài)功耗三者之間取平衡而不是追求單一參數(shù)最優(yōu)。4. 作用三確定靜態(tài)偏置抑制干擾和寄生充放電4.1 靜態(tài)工作點(diǎn)與漏電流泄放MOS 管柵極到源極之間存在固定的絕緣氧化層電容在直流狀態(tài)下近似開路。但 PCB 上并非只有這個(gè)電容柵極走線周圍的助焊劑殘留、潮濕水汽、灰塵都可能形成微弱漏電通道。柵極電位會(huì)因?yàn)檫@些漏電流逐漸漂移最終可能偏離預(yù)設(shè)狀態(tài)。上下拉電阻給漏電流提供了一個(gè)低阻抗泄放通道。柵極上積累的電荷通過電阻流到源極使柵極電位不會(huì)無約束上升。這里的關(guān)鍵是電阻值不能太大否則泄放能力不足。100kΩ 以上的電阻在嚴(yán)重潮濕環(huán)境下可能壓不住電位漂移設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合使用環(huán)境的清潔度、濕度和 PCB 涂層工藝綜合判斷。4.2 高 dv/dt 開關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)柵極的米勒干擾功率電路中MOS 管漏極電壓在開關(guān)瞬間快速跳變。漏極和柵極之間存在米勒電容 Cgd漏極電壓的變化會(huì)通過這個(gè)電容向柵極注入位移電流。如果柵極沒有泄放通道注入的電流會(huì)在柵極阻抗上產(chǎn)生電壓導(dǎo)致 Vgs 被瞬時(shí)抬高。這個(gè)現(xiàn)象在橋式電路中特別明顯。當(dāng)上管快速開通、下管關(guān)斷時(shí)下管漏極電壓以很高斜率上升通過 Cgd 耦合到柵極如果此時(shí)下管柵極沒有足夠強(qiáng)的下拉能力下管可能發(fā)生米勒自導(dǎo)通造成上下管瞬間直通。柵極上下拉電阻為這部分位移電流提供了泄放路徑電阻越小柵極被抬高的幅度越小。除此之外還可以通過增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻來降低開關(guān)斜率 dv/dt、使用密勒鉗位專用電路、或者在柵極并聯(lián)電容來吸收耦合電流。這些措施經(jīng)常配合使用單靠一只電阻并不能在所有場(chǎng)景下解決問題。4.3 對(duì)柵極氧化層保護(hù)的實(shí)際限度MOS 管柵極氧化層厚度通常在納米級(jí)別柵源電壓超過數(shù)據(jù)手冊(cè)限值比如常見的 ±20V 或 ±16V就會(huì)擊穿氧化層造成永久損壞。上下拉電阻是否會(huì)保護(hù)柵極氧化層需要區(qū)分情況。在慢變化直流干擾、漏電流引起的電位漂移場(chǎng)景中上下拉電阻把 Vgs 限制在預(yù)設(shè)電平附近確實(shí)降低了柵極過壓風(fēng)險(xiǎn)。但在靜電放電 ESD 或雷擊浪涌等高頻高壓脈沖場(chǎng)景中脈沖能量主要沿著低阻抗路徑傳播上下拉電阻的泄放能力有限不能替代 TVS 二極管或柵極齊納鉗位電路。生產(chǎn)環(huán)境的柵極端口更穩(wěn)妥的做法是在上下拉電阻基礎(chǔ)上并聯(lián)一只鉗位二極管把 Vgs 限制在安全范圍內(nèi)。5. 阻值怎么選功耗、速度、抗干擾三個(gè)維度5.1 常見阻值范圍和工程經(jīng)驗(yàn)起點(diǎn)柵極上下拉電阻在分立 MOS 管開關(guān)電路中常見取值范圍是 1kΩ 到 100kΩ。工程上最常用的是 10kΩ 到 47kΩ。下面是一個(gè)按阻值劃分的參考表阻值12V 下靜態(tài)電流特點(diǎn)典型應(yīng)用場(chǎng)景1kΩ12mA強(qiáng)下拉抗干擾好功耗大驅(qū)動(dòng)輸出高阻需要快速關(guān)斷的場(chǎng)合4.7kΩ2.55mA平衡性較好一般功率開關(guān)電路10kΩ1.2mA最常見默認(rèn)值單片機(jī)直驅(qū)低邊開關(guān)47kΩ0.26mA低功耗電池供電設(shè)備100kΩ0.12mA功耗極小但抗干擾和泄放能力弱對(duì)功耗要求極高的輕負(fù)載這個(gè)表里的靜態(tài)電流按 Vgs12V 計(jì)算實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓可能是 5V 或 10V數(shù)值會(huì)成比例變化。重點(diǎn)是理解趨勢(shì)不要生搬硬套。5.2 阻值過大和過小分別會(huì)怎樣阻值過大的主要問題是抗干擾能力下降、柵極電荷泄放慢。10kΩ 以上電阻在干燥環(huán)境下通常夠用但在電磁干擾較強(qiáng)或 PCB 布局緊湊的場(chǎng)合柵極還是容易被耦合電壓抬升。用過大的電阻比如 1MΩ幾乎等于沒有接起不到固定電平的作用。阻值過小的主要問題是功耗增大、驅(qū)動(dòng)負(fù)載加重。驅(qū)動(dòng)芯片在輸出高電平時(shí)需要持續(xù)為這個(gè)小電阻供電流。以 1kΩ 為例如果驅(qū)動(dòng)電壓是 12V單個(gè)下管就有 12mA 靜態(tài)電流這在多路半橋驅(qū)動(dòng)電路里會(huì)放大成明顯的功耗和發(fā)熱。此外上下拉電阻和驅(qū)動(dòng)源阻抗、柵極輸入電容會(huì)共同影響柵極電壓的上升沿和下降沿。阻值越小RC 時(shí)間常數(shù)越小上升下降沿越陡但同時(shí)也更容易產(chǎn)生振鈴。所以在需要控制電磁干擾的場(chǎng)合不能只關(guān)注上下拉電阻還要搭配合理的串聯(lián)柵極電阻。5.3 一個(gè)最小估算示例假設(shè)有一個(gè) N 溝道 MOS 管低邊開關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓 Vgs 10V輸入電容 Ciss 6nF希望上電時(shí)柵極保持低電平。選擇柵源下拉電阻 Rgs 10kΩ需要確認(rèn)兩點(diǎn)。第一斷電或驅(qū)動(dòng)高阻時(shí)Rgs 單獨(dú)泄放柵極電荷需要的時(shí)間。τ Rgs x Ciss 10kΩ x 6nF 60μs5τ 300μs。如果系統(tǒng)允許驅(qū)動(dòng)關(guān)閉后 300μs 內(nèi)完成關(guān)斷這個(gè)電阻值可行如果要求 100μs 內(nèi)關(guān)斷就需要把 Rgs 降到 3.3kΩ 以下。第二驅(qū)動(dòng)輸出高電平時(shí)Rgs 上的持續(xù)功耗。P Vgs^2 / Rgs 10V x 10V / 10kΩ 10mW。這個(gè)功耗在絕大多數(shù)場(chǎng)景可以接受。如果放在電池供電設(shè)備里可以把 Rgs 提高到 47kΩ功耗降到約 2mW但代價(jià)是抗干擾能力降低。5.4 與 I2C 總線上拉電阻的區(qū)別經(jīng)常有人把 MOS 管柵極上下拉電阻和 I2C 總線上拉電阻放在一起問。兩者的物理原理都是電阻為節(jié)點(diǎn)提供確定的電平但設(shè)計(jì)目標(biāo)差別很大。I2C 總線的上拉電阻用于開漏輸出阻值大小直接影響 SDA/SCL 信號(hào)的上升沿時(shí)間和總線最大速率的匹配。阻值太小會(huì)使低電平狀態(tài)下的灌電流過大阻值太大會(huì)使上升沿過慢、無法滿足時(shí)序要求典型值在 1kΩ 到 10kΩ 之間。MOS 管柵極上下拉電阻的目標(biāo)不是“把信號(hào)拉高或拉低”而是“給高阻柵極一個(gè)確定電位”。它對(duì)開關(guān)速度的影響主要發(fā)生在驅(qū)動(dòng)源高阻狀態(tài)下正常工作時(shí)的開關(guān)速度由驅(qū)動(dòng)器決定。因此不能用 I2C 的上拉選型邏輯直接套用到 MOS 管柵極上。6. 不同開關(guān)電路中的上下拉接法6.1 N 溝道低邊開關(guān)單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)這是最常見的電路之一。N 溝道 MOS 管源極接地負(fù)載接在電源和漏極之間柵極由單片機(jī) GPIO 或?qū)Ｓ抿?qū)動(dòng)芯片控制。MCU GPIO ---- Rgate(100Ω) ---- G ----- N-MOS 柵極 | Rgs(10kΩ) | GND源極這個(gè)電路的關(guān)鍵點(diǎn)有三個(gè)GPIO 上電默認(rèn)狀態(tài)必須是確定的Rgs 下拉保證未初始化時(shí)柵極為低電平Rgate 串聯(lián)電阻限制單片機(jī) GPIO 的驅(qū)動(dòng)電流避免瞬時(shí)電流過大源極和 GND 直接相連避免源極走線引入壓差。在低速開關(guān)場(chǎng)景比如驅(qū)動(dòng)繼電器、LED、風(fēng)扇10kΩ 下拉和