中心議題：

• LED驅(qū)動(dòng)MOSFET的選擇

解決方案：

• 分析功率MOSFET的開關(guān)特性
• 考慮MOS開關(guān)管損耗及輸出的要求
• 估算MOSFET結(jié)區(qū)溫度

LED驅(qū)動(dòng)MOSFET常用的是NMOS，原因是導(dǎo)通電阻小，應(yīng)用較為廣泛，也符合LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)要求。所以開關(guān)電源和LED恒流驅(qū)動(dòng)的應(yīng)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(guān)特性

MOSFET功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管是用柵極電壓來控制漏極電流的,因此它的一個(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,驅(qū)動(dòng)功耗小.其第二個(gè)顯著特點(diǎn)是開關(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(shù)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(shè)計(jì)或選擇驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候要麻煩一些,但沒有辦法避免.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(qū)動(dòng)感性負(fù)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(nèi)部通常是沒有的.

MOS管是電壓驅(qū)動(dòng)器件,基本不需要激勵(lì)級(jí)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(dǎo)通之前要先對(duì)該電容充電,當(dāng)電容電壓超過閾值電壓(VGS-TH)時(shí)MOSFET才開始導(dǎo)通.因此,柵極驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力必須足夠大,以保證在系統(tǒng)要求的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)等效柵極電容(CEI)的充電.

MOSFET的開關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系.使用者雖然無法降低Cin的值,但可以降低柵極驅(qū)動(dòng)回路信號(hào)源內(nèi)阻Rs的值,從而減小柵極回路的充放電時(shí)間常數(shù),加快開關(guān)速度.一般IC驅(qū)動(dòng)能力主要體現(xiàn)在這里,我們談選擇MOSFET是指外置MOSFET驅(qū)動(dòng)恒流IC.內(nèi)置MOSFET的IC當(dāng)然不用我們?cè)倏紤]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(qū)動(dòng)能力,MOSFET輸入電容是關(guān)鍵的參數(shù)!

下圖Cgd和Cgs是MOSFET等效結(jié)電容.

一般IC的PWM OUT輸出內(nèi)部集成了限流電阻,具體數(shù)值大小同IC的峰值驅(qū)動(dòng)輸出能力有關(guān),可以近似認(rèn)為R=Vcc/Ipeak.一般結(jié)合IC驅(qū)動(dòng)能力 Rg選擇在10-20Ω左右.

一般的應(yīng)用中IC的驅(qū)動(dòng)可以直接驅(qū)動(dòng)MOSFET,但是考慮到通常驅(qū)動(dòng)走線不是直線,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(qū)動(dòng)電阻進(jìn)行抑制.考慮到走線分布電容的影響,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(dāng)瀉放電阻過小,由于走線電感的原因也會(huì)引起諧振(因此有些應(yīng)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(dǎo)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(hào)管1N4148.
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MOS開關(guān)管損耗

不管是NMOS還是PMOS,導(dǎo)通后都有導(dǎo)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(dǎo)通損耗.選擇導(dǎo)通電阻小的MOSFET會(huì)減小導(dǎo)通損耗.現(xiàn)在的小功率MOSFET導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有.

MOSFET導(dǎo)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)下降的過程,流過的電流有一個(gè)上升的過程,在這段時(shí)間內(nèi),MOSFET管的損耗是電壓和電流的乘積,叫做開關(guān)損耗.通常開關(guān)損耗比導(dǎo)通損耗大得多,而且開關(guān)頻率越快,損失也越大.在LED恒流源設(shè)計(jì)中要注意頻率的選擇,降低損耗但也要兼顧雜聲的出現(xiàn).

導(dǎo)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(guān)時(shí)間,可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損耗;降低開關(guān)頻率,可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開關(guān)次數(shù).這兩種辦法都可以減小開關(guān)損耗.

輸出的要求

因?yàn)镸OSFET一般都連接著感性電路,會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)的反向沖擊電流.另外一個(gè)需要注意的問題是對(duì)瞬間短路電流的承受能力,對(duì)于高頻SMPS尤其如此.瞬間短路電流的產(chǎn)生通常是由于驅(qū)動(dòng)電平脈沖的上升或下降過程太長(zhǎng),或者傳輸延時(shí)過大,瞬間短路電流會(huì)顯著降低電源的效率,是MOSFET發(fā)熱的原因之一.

估算結(jié)區(qū)溫度

一般來說,即使源極/漏極電壓超過絕對(duì)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(shù).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 25℃,其結(jié)區(qū)溫度會(huì)因能量耗散而升至高于環(huán)境溫度.

當(dāng)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(yīng)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.

盡管非正常的過壓尖峰不會(huì)導(dǎo)致器件擊穿,但為了確保器件的可靠性,功率MOSFET 的結(jié)區(qū)溫度應(yīng)當(dāng)保持于規(guī)定的最大結(jié)區(qū)溫度以下.器件的穩(wěn)態(tài)結(jié)區(qū)溫度可表達(dá)為:

T_{J}=P_{D}R_{ JC}+T_{C}
其中,T_{J}:結(jié)區(qū)溫度;T_{C}:管殼溫度;P_{D}:結(jié)區(qū)能耗;R_{ JC}:穩(wěn)態(tài)下結(jié)區(qū)至管殼的熱阻.

不過在很多應(yīng)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(dāng)功率脈沖施加于器件上時(shí),結(jié)區(qū)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(dá):
 
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(duì)于很窄的脈沖,r(t)非常小;但對(duì)于很寬的脈沖,r(t)接近1,而瞬態(tài)熱阻接近穩(wěn)態(tài)熱阻.

有時(shí)輸入電壓并不是一個(gè)固定值,它會(huì)隨著時(shí)間或者其他因素而變動(dòng).這個(gè)變動(dòng)導(dǎo)致PWM電路提供給MOSFET管的驅(qū)動(dòng)電壓是不穩(wěn)定的.為了讓MOSFET管在高gate電壓下安全,很多MOSFET管內(nèi)置了穩(wěn)壓管強(qiáng)行限制gate電壓的幅值.在這種情況下,當(dāng)提供的驅(qū)動(dòng)電壓超過穩(wěn)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(xiàn)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(dǎo)通不夠徹底,從而增加功耗.

MOSFET導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓.而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)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(dǎo)通電壓,設(shè)計(jì)時(shí)需要選擇合適.合適的門電壓會(huì)使得導(dǎo)通時(shí)間快,導(dǎo)通電阻小. 目前市場(chǎng)上也有低電壓驅(qū)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(qū)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