Trong các ứng dụng ô tô công suất cao hiện nay, chúng ta thường nhanh chóng chạm đến giới hạn mà một MOSFET đơn lẻ không còn đủ khả năng đáp ứng dòng điện yêu cầu. Giải pháp hiển nhiên nhất là đặt nhiều MOSFET song song để giảm điện trở nội R_DS(on) hiệu dụng và phân tán tổn hao dẫn điện trên nhiều linh kiện.
Trên lý thuyết, mọi thứ nghe có vẻ đơn giản. Nhưng trong thực tế phần cứng, đây chính là nơi mọi rắc rối bắt đầu.
Dựa trên tài liệu hướng dẫn ứng dụng của TI: “Driving Parallel MOSFETs Using the DRV3255-Q1” (Mã tài liệu: SLVAF39A), thông điệp đưa ra rất rõ ràng: Việc chạy MOSFET song song không chỉ là lựa chọn trên sơ đồ nguyên lý — đó là một kỷ luật về thiết kế Layout PCB.
Tại sao MOSFET song song vẫn có thể hỏng dù tính toán “chuẩn”?
Về mặt lý thuyết, hai hoặc nhiều MOSFET song song có thể được coi như một MOSFET lớn hơn với điện trở thấp hơn và khả năng chịu dòng cao hơn. Tuy nhiên, thực tế khắc nghiệt hơn nhiều:
-
Không có hai MOSFET nào giống hệt nhau: Các sai số nhỏ về quy trình sản xuất khiến đặc tính linh kiện luôn có độ lệch nhất định.
-
Tốc độ đóng cắt không đồng đều: Một linh kiện có thể bật nhanh hơn linh kiện kia, dẫn đến việc nó phải gánh toàn bộ dòng điện khởi động.
-
Phân bổ dòng điện không đều: Một thiết bị có thể dẫn nhiều dòng hơn, gây ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ.
-
Các thành phần ký sinh (đặc biệt là độ tự cảm): Các yếu tố này chi phối hành vi đóng cắt, dẫn đến ứng suất không cân bằng và nguy cơ hỏng hóc linh kiện.
Những “kẻ ẩn mình”: Dòng ngược và hành vi Body Diode
Việc ghép song song không chỉ dừng lại ở việc khớp thông số R_DS(on). Bạn phải đặc biệt lưu tâm đến đặc tính của Body Diode và dòng điện ngược dự kiến để tránh các xung nhiễu không mong muốn gây hỏng mạch.
Khuyến nghị sơ đồ nguyên lý: Tầm quan trọng của điện trở cổng riêng lẻ
Nếu bạn điều khiển nhiều cổng (Gate) MOSFET chỉ với một điện trở chung, quá trình đóng cắt nhanh có thể bơm các xung qua điện dung ký sinh Gate-Drain (Cgd) và tạo ra dao động trên nút cổng chung.
Texas Instruments khuyến nghị: Sử dụng một điện trở cho mỗi cổng MOSFET riêng biệt (Individual gate resistors).
-
Tác dụng: Giúp dập tắt sự ghép nối và tránh hiện tượng dao động (oscillation).
-
Lưu ý quan trọng: Khi thêm điện trở song song, bạn phải điều chỉnh giá trị để duy trì tổng trở tương đương không đổi. Ví dụ: Nếu dùng 10 Ω cho 1 MOSFET, thì với 2 MOSFET song song, bạn nên dùng 20 Ω cho mỗi thiết bị để tổng trở tương đương vẫn duy trì khoảng ≈10 Ω.
Thử thách thực sự: Layout PCB (Gate + Drain + Source)
Tài liệu SLVAF39A trình bày các ví dụ thực tế so sánh giữa layout lỗi và layout khuyến nghị cho DRV3255-Q1. Dưới đây là các quy tắc “vàng” cần ghi nhớ:
1. Đi dây tín hiệu Gate (Cổng)
-
Đặt các MOSFET gần nhau nhất có thể.
-
Giữ các đường tín hiệu Gate đi chung một đường thống nhất cho đến khi đến gần MOSFET mới tách ra.
-
Đảm bảo chiều dài các đường Gate riêng lẻ tương đương nhau để đồng bộ thời gian đóng cắt.
-
Đặt điện trở cổng càng gần MOSFET càng tốt.
2. Đi dây công suất Drain/Source
-
Thiết kế các kết nối Drain và Source sao cho đối xứng và giống nhau nhất có thể giữa các nhánh.
-
Sử dụng các vùng phủ đồng (Copper pours/polygons) thay vì các đường dây dẫn (traces) mỏng để tăng khả năng dẫn dòng và tản nhiệt.
-
Tránh sử dụng Thermal Relief trên các chân (pad) dòng điện cao: Điều này làm tăng điện trở và cản trở hiệu suất nhiệt/dòng điện của hệ thống.
Kết luận
Việc tăng khả năng chịu dòng bằng cách ghép song song MOSFET là cần thiết cho các hệ thống 48V hoặc các bộ điều khiển motor công suất lớn trong ô tô. Tuy nhiên, để hệ thống hoạt động tin cậy, người kỹ sư cần tập trung tối đa vào việc cân bằng layout và xử lý các thành phần ký sinh thay vì chỉ dựa vào các con số lý tưởng trên bảng tính.
Hy vọng bài viết này giúp bạn có cái nhìn sâu sắc hơn về thiết kế driver motor với DRV3255-Q1. Đừng quên tham khảo tài liệu gốc SLVAF39A của TI để có các sơ đồ chi tiết nhất!
