中心議題:
- LED驅動(dòng)MOSFET的選擇
解決方案:
- 分析功率MOSFET的開(kāi)關(guān)特性
- 考慮MOS開(kāi)關(guān)管損耗及輸出的要求
- 估算MOSFET結區溫度
LED驅動(dòng)MOSFET常用的是NMOS,原因是導通電阻小,應用較為廣泛,也符合LED驅動(dòng)設計要求。所以開(kāi)關(guān)電源和LED恒流驅動(dòng)的應用中,一般都用NMOS。下面的介紹中,也多以NMOS為主。
功率MOSFET的開(kāi)關(guān)特性
MOSFET功率場(chǎng)效應晶體管是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流的,因此它的一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單,驅動(dòng)功耗小.其第二個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快,工作頻率高,功率MOSFET的工作頻率在下降時(shí)間主要由輸入回路時(shí)間常數決定.
MOS管的三個(gè)管腳之間有寄生電容存在,由于制造工藝限制產(chǎn)生的.寄生電容的存在使得在設計或選擇驅動(dòng)電路的時(shí)候要麻煩一些,但沒(méi)有辦法避免.MOSFET漏極和源極之間有一個(gè)寄生二極管.這個(gè)叫體二極管,在驅動(dòng)感性負載,這個(gè)二極管很重要.體二極管只在單個(gè)的MOS管中存在,在集成電路芯片內部通常是沒(méi)有的.
MOS管是電壓驅動(dòng)器件,基本不需要激勵級獲取能量,但是功率MOSFET和雙極型晶體管不同,它的柵極電容比較大,在導通之前要先對該電容充電,當電容電壓超過(guò)閾值電壓(VGS-TH)時(shí)MOSFET才開(kāi)始導通.因此,柵極驅動(dòng)器的負載能力必須足夠大,以保證在系統要求的時(shí)間內完成對等效柵極電容(CEI)的充電.
MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系.使用者雖然無(wú)法降低Cin的值,但可以降低柵極驅動(dòng)回路信號源內阻Rs的值,從而減小柵極回路的充放電時(shí)間常數,加快開(kāi)關(guān)速度.一般IC驅動(dòng)能力主要體現在這里,我們談選擇MOSFET是指外置MOSFET驅動(dòng)恒流IC.內置MOSFET的IC當然不用我們再考慮了,一般大于1A電流會(huì )考慮外置MOSFET.為了獲得到更大、更靈活的LED功率能力,外置MOSFET是唯一的選擇方式,IC需要合適的驅動(dòng)能力,MOSFET輸入電容是關(guān)鍵的參數!
下圖Cgd和Cgs是MOSFET等效結電容.
一般IC的PWM OUT輸出內部集成了限流電阻,具體數值大小同IC的峰值驅動(dòng)輸出能力有關(guān),可以近似認為R=Vcc/Ipeak.一般結合IC驅動(dòng)能力 Rg選擇在10-20Ω左右.
一般的應用中IC的驅動(dòng)可以直接驅動(dòng)MOSFET,但是考慮到通常驅動(dòng)走線(xiàn)不是直線(xiàn),感量可能會(huì )更大,并且為了防止外部干擾,還是要使用Rg驅動(dòng)電阻進(jìn)行抑制.考慮到走線(xiàn)分布電容的影響,這個(gè)電阻要盡量靠近MOSFET的柵極.
以上討論的是MOSFET ON狀態(tài)時(shí)電阻的選擇,在MOSFET OFF狀態(tài)時(shí)為了保證柵極電荷快速瀉放,此時(shí)阻值要盡量小.通常為了保證快速瀉放,在Rg上可以并聯(lián)一個(gè)二極管.當瀉放電阻過(guò)小,由于走線(xiàn)電感的原因也會(huì )引起諧振(因此有些應用中也會(huì )在這個(gè)二極管上串一個(gè)小電阻),但是由于二極管的反向電流不導通,此時(shí)Rg又參與反向諧振回路,因此可以抑制反向諧振的尖峰.這個(gè)二極管通常使用高頻小信號管1N4148.
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MOS開(kāi)關(guān)管損耗
不管是NMOS還是PMOS,導通后都有導通電阻存在,這樣電流就會(huì )在這個(gè)電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導通損耗.選擇導通電阻小的MOSFET會(huì )減小導通損耗.現在的小功率MOSFET導通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有.
MOSFET導通和截止的時(shí)候,一定不是在瞬間完成的.MOSFET兩端的電壓有一個(gè)下降的過(guò)程,流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程,在這段時(shí)間內,MOSFET管的損耗是電壓和電流的乘積,叫做開(kāi)關(guān)損耗.通常開(kāi)關(guān)損耗比導通損耗大得多,而且開(kāi)關(guān)頻率越快,損失也越大.在LED恒流源設計中要注意頻率的選擇,降低損耗但也要兼顧雜聲的出現.
導通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損耗也就很大.縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間,可以減小每次導通時(shí)的損耗;降低開(kāi)關(guān)頻率,可以減小單位時(shí)間內的開(kāi)關(guān)次數.這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損耗.
輸出的要求
因為MOSFET一般都連接著(zhù)感性電路,會(huì )產(chǎn)生比較強的反向沖擊電流.另外一個(gè)需要注意的問(wèn)題是對瞬間短路電流的承受能力,對于高頻SMPS尤其如此.瞬間短路電流的產(chǎn)生通常是由于驅動(dòng)電平脈沖的上升或下降過(guò)程太長(cháng),或者傳輸延時(shí)過(guò)大,瞬間短路電流會(huì )顯著(zhù)降低電源的效率,是MOSFET發(fā)熱的原因之一.
估算結區溫度
一般來(lái)說(shuō),即使源極/漏極電壓超過(guò)絕對的最大額定值,功率 MOSFET 也很少發(fā)生擊穿.功率 MOSFET 的擊穿電壓 (BVDSS) 具備正向的溫度系數.因此,溫度越高,擊穿器件所需的電壓越高.在許多情況下,功率 MOSFET 工作時(shí)的環(huán)境溫度超過(guò) 25℃,其結區溫度會(huì )因能量耗散而升至高于環(huán)境溫度.
當擊穿真正發(fā)生時(shí),漏極電流會(huì )大得多,而擊穿電壓甚至比實(shí)際值還要高.在實(shí)際應用中,真正的擊穿電壓會(huì )是額定低電流擊穿電壓值的 1.3 倍.
盡管非正常的過(guò)壓尖峰不會(huì )導致器件擊穿,但為了確保器件的可靠性,功率MOSFET 的結區溫度應當保持于規定的最大結區溫度以下.器件的穩態(tài)結區溫度可表達為:
T_{J}=P_{D}R_{ JC}+T_{C}
其中,T_{J}:結區溫度;T_{C}:管殼溫度;P_{D}:結區能耗;R_{ JC}:穩態(tài)下結區至管殼的熱阻.
不過(guò)在很多應用中,功率 MOSFET 中的能量是以脈沖方式耗散,而不是直流方式.當功率脈沖施加于器件上時(shí),結區溫度峰值會(huì )隨峰值功率和脈沖寬度而變化.在某指定時(shí)刻的熱阻叫做瞬態(tài)熱阻,并由下式表達:
Z_{ JC}(t)=r(t) R_{ JC}
這里,r(t)是與熱容量相關(guān),隨時(shí)間變化的因子.對于很窄的脈沖,r(t)非常小;但對于很寬的脈沖,r(t)接近1,而瞬態(tài)熱阻接近穩態(tài)熱阻.
有時(shí)輸入電壓并不是一個(gè)固定值,它會(huì )隨著(zhù)時(shí)間或者其他因素而變動(dòng).這個(gè)變動(dòng)導致PWM電路提供給MOSFET管的驅動(dòng)電壓是不穩定的.為了讓MOSFET管在高gate電壓下安全,很多MOSFET管內置了穩壓管強行限制gate電壓的幅值.在這種情況下,當提供的驅動(dòng)電壓超過(guò)穩壓管的電壓,就會(huì )引起較大的靜態(tài)功耗.同時(shí),如果簡(jiǎn)單的用電阻分壓的原理降低gate電壓,就會(huì )出現輸入電壓比較高的時(shí)候,MOS管工作良好,而輸入電壓降低的時(shí)候gate電壓不足,引起導通不夠徹底,從而增加功耗.
MOSFET導通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓.而高端驅動(dòng)的MOS管導通時(shí)源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大4V或10V.4V或10V是常用的MOSFET的導通電壓,設計時(shí)需要選擇合適.合適的門(mén)電壓會(huì )使得導通時(shí)間快,導通電阻小. 目前市場(chǎng)上也有低電壓驅動(dòng)MOSFET,但耐壓都較低,可以選擇用在串接要求不是很高的場(chǎng)合.
常用LED驅動(dòng)MOSFET推薦:
- VN2204 40V 8A
- VN3205 50V 1.2A
- IRFL014 60V 2.7A
- IRF840 500V 8A
- 2SK2545 600V 6A
- IRFB20N50K 500V 20A