中心議題：
- LED驅動MOSFET的選擇
解決方案：
- 分析功率MOSFET的開關特性
- 考慮MOS開關管損耗及輸出的要求
- 估算MOSFET結區溫度
LED驅動MOSFET常用的是NMOS，原因是導通電阻小，應用較為廣泛，也符合LED驅動設計要求。所以開關電源和LED恒流驅動的應用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。
功率MOSFET的開關特性
MOSFET功率場效應晶體管是用柵極電壓來控制漏極電流的,因此它的一個顯著特點是驅動電路簡單,驅動功耗小.其第二個顯著特點是開關速度快,工作頻率高,功率MOSFET的工作頻率在下降時間主要由輸入回路時間常數決定.
MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在,由于制造工藝限制產生的.寄生電容的存在使得在設計或選擇驅動電路的時候要麻煩一些,但沒有辦法避免.MOSFET漏極和源極之間有一個寄生二極管.這個叫體二極管,在驅動感性負載,這個二極管很重要.體二極管只在單個的MOS管中存在,在集成電路芯片內部通常是沒有的.
MOS管是電壓驅動器件,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,當電容電壓超過閾值電壓(VGS-TH)時MOSFET才開始導通.因此,柵極驅動器的負載能力必須足夠大,以保證在系統要求的時間內完成對等效柵極電容(CEI)的充電.
MOSFET的開關速度和其輸入電容的充放電有很大關系.使用者雖然無法降低Cin的值,但可以降低柵極驅動回路信號源內阻Rs的值,從而減小柵極回路的充放電時間常數,加快開關速度.一般IC驅動能力主要體現在這里,我們談選擇MOSFET是指外置MOSFET驅動恒流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需要合適的驅動能力,MOSFET輸入電容是關鍵的參數!
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的峰值驅動輸出能力有關,可以近似認為R=Vcc/Ipeak.一般結合IC驅動能力 Rg選擇在10-20Ω左右.
一般的應用中IC的驅動可以直接驅動MOSFET,但是考慮到通常驅動走線不是直線,感量可能會更大,并且為了防止外部干擾,還是要使用Rg驅動電阻進行抑制.考慮到走線分布電容的影響,這個電阻要盡量靠近MOSFET的柵極.
以上討論的是MOSFET ON狀態時電阻的選擇,在MOSFET OFF狀態時為了保證柵極電荷快速瀉放,此時阻值要盡量小.通常為了保證快速瀉放,在Rg上可以并聯一個二極管.當瀉放電阻過小,由于走線電感的原因也會引起諧振(因此有些應用中也會在這個二極管上串一個小電阻),但是由于二極管的反向電流不導通,此時Rg又參與反向諧振回路,因此可以抑制反向諧振的尖峰.這個二極管通常使用高頻小信號管1N4148.
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MOS開關管損耗
不管是NMOS還是PMOS,導通后都有導通電阻存在,這樣電流就會在這個電阻上消耗能量,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導通和截止的時候,一定不是在瞬間完成的.MOSFET兩端的電壓有一個下降的過程,流過的電流有一個上升的過程,在這段時間內,MOSFET管的損耗是電壓和電流的乘積,叫做開關損耗.通常開關損耗比導通損耗大得多,而且開關頻率越快,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.縮短開關時間,可以減小每次導通時的損耗;降低開關頻率,可以減小單位時間內的開關次數.這兩種辦法都可以減小開關損耗.
輸出的要求
因為MOSFET一般都連接著感性電路,會產生比較強的反向沖擊電流.另外一個需要注意的問題是對瞬間短路電流的承受能力,對于高頻SMPS尤其如此.瞬間短路電流的產生通常是由于驅動電平脈沖的上升或下降過程太長,或者傳輸延時過大,瞬間短路電流會顯著降低電源的效率,是MOSFET發熱的原因之一.
估算結區溫度
一般來說,即使源極/漏極電壓超過絕對的最大額定值,功率 MOSFET 也很少發生擊穿.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 工作時的環境溫度超過 25℃,其結區溫度會因能量耗散而升至高于環境溫度.
當擊穿真正發生時,漏極電流會大得多,而擊穿電壓甚至比實際值還要高.在實際應用中,真正的擊穿電壓會是額定低電流擊穿電壓值的 1.3 倍.
盡管非正常的過壓尖峰不會導致器件擊穿,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}:穩態下結區至管殼的熱阻.
不過在很多應用中,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,結區溫度峰值會隨峰值功率和脈沖寬度而變化.在某指定時刻的熱阻叫做瞬態熱阻,并由下式表達:
Z_{ JC}(t)=r(t) R_{ JC}
這里,r(t)是與熱容量相關,隨時間變化的因子.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,而瞬態熱阻接近穩態熱阻.
有時輸入電壓并不是一個固定值,它會隨著時間或者其他因素而變動.這個變動導致PWM電路提供給MOSFET管的驅動電壓是不穩定的.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,當提供的驅動電壓超過穩壓管的電壓,就會引起較大的靜態功耗.同時,如果簡單的用電阻分壓的原理降低gate電壓,就會出現輸入電壓比較高的時候,MOS管工作良好,而輸入電壓降低的時候gate電壓不足,引起導通不夠徹底,從而增加功耗.
MOSFET導通時需要是柵極電壓大于源極電壓.而高端驅動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V.4V或10V是常用的MOSFET的導通電壓,設計時需要選擇合適.合適的門電壓會使得導通時間快,導通電阻小. 目前市場上也有低電壓驅動MOSFET,但耐壓都較低,可以選擇用在串接要求不是很高的場合.
常用LED驅動MOSFET推薦:
- VN2204 40V 8A
- VN3205 50V 1.2A
- IRFL014 60V 2.7A
- IRF840 500V 8A
- 2SK2545 600V 6A
- IRFB20N50K 500V 20A
