常用LED驱动MOSFET的选择
中心议题：
解决方案：
- 分析功率MOSFET的开关特性
- 考虑MOS开关管损耗及输出的要求
- 估算MOSFET结区温度
LED驱动MOSFET常用的是NMOS，原因是导通电阻小，应用较为广泛，也符合LED驱动设计要求。所以开关电源和LED恒流驱动的应用中，一般都用NMOS。下面的介绍中，也多以NMOS为主。
功率MOSFET的开关特性
MOSFET功率场效应晶体管是用栅极电压来控制漏极电流的,因此它的一个显著特点是驱动电路简单,驱动功耗小.其第二个显著特点是开关速度快,工作频率高,功率MOSFET的工作频率在下降时间主要由输入回路时间常数决定.
MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在,由于制造工艺限制产生的.寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些,但没有办法避免.MOSFET漏极和源极之间有一个寄生二极管.这个叫体二极管,在驱动感性负载,这个二极管很重要.体二极管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的.
MOS管是电压驱动器件,基本不需要激励级获取能量,但是功率MOSFET和双极型晶体管不同,它的栅极电容比较大,在导通之前要先对该电容充电,当电容电压超过阈值电压(VGS-TH)时MOSFET才开始导通.因此,栅极驱动器的负载能力必须足够大,以保证在系统要求的时间内完成对等效栅极电容(CEI)的充电.
MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系.使用者虽然无法降低Cin的值,但可以降低栅极驱动回路信号源内阻Rs的值,从而减小栅极回路的充放电时间常数,加快开关速度.一般IC驱动能力主要体现在这里,我们谈选择MOSFET是指外置MOSFET驱动恒流IC.内置MOSFET的IC当然不用我们再考虑了,一般大于1A电流会考虑外置MOSFET.为了获得到更大、更灵活的LED功率能力,外置MOSFET是唯一的选择方式,IC需要合适的驱动能力,MOSFET输入电容是关键的参数!
下图Cgd和Cgs是MOSFET等效结电容.
一般IC的PWM OUT输出内部集成了限流电阻,具体数值大小同IC的峰值驱动输出能力有关,可以近似认为R=Vcc/Ipeak.一般结合IC驱动能力 Rg选择在10-20Ω左右.
一般的应用中IC的驱动可以直接驱动MOSFET,但是考虑到通常驱动走线不是直线,感量可能会更大,并且为了防止外部干扰,还是要使用Rg驱动电阻进行抑制.考虑到走线分布电容的影响,这个电阻要尽量靠近MOSFET的栅极.
以上讨论的是MOSFET ON状态时电阻的选择,在MOSFET OFF状态时为了保证栅极电荷快速泻放,此时阻值要尽量小.通常为了保证快速泻放,在Rg上可以并联一个二极管.当泻放电阻过小,由于走线电感的原因也会引起谐振(因此有些应用中也会在这个二极管上串一个小电阻),但是由于二极管的反向电流不导通,此时Rg又参与反向谐振回路,因此可以抑制反向谐振的尖峰.这个二极管通常使用高频小信号管1N4148.
MOS开关管损耗
不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗.选择导通电阻小的MOSFET会减小导通损耗.现在的小功率MOSFET导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧的也有.
MOSFET导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的.MOSFET两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOSFET管的损耗是电压和电流的乘积,叫做开关损耗.通常开关损耗比导通损耗大得多,而且开关频率越快,损失也越大.在LED恒流源设计中要注意频率的选择,降低损耗但也要兼顾杂声的出现.
导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损耗也就很大.缩短开关时间,可以减小每次导通时的损耗;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数.这两种办法都可以减小开关损耗.
输出的要求
因为MOSFET一般都连接着感性电路,会产生比较强的反向冲击电流.另外一个需要注意的问题是对瞬间短路电流的承受能力,对于高频SMPS尤其如此.瞬间短路电流的产生通常是由于驱动电平脉冲的上升或下降过程太长,或者传输延时过大,瞬间短路电流会显着降低电源的效率,是MOSFET发热的原因之一.
估算结区温度
一般来说,即使源极/漏极电压超过绝对的最大额定值,功率 MOSFET 也很少发生击穿.功率 MOSFET 的击穿电压 (BVDSS) 具备正向的温度系数.因此,温度越高,击穿器件所需的电压越高.在许多情况下,功率 MOSFET 工作时的环境温度超过 25℃,其结区温度会因能量耗散而升至高于环境温度.
当击穿真正发生时,漏极电流会大得多,而击穿电压甚至比实际值还要高.在实际应用中,真正的击穿电压会是额定低电流击穿电压值的 1.3 倍.
尽管非正常的过压尖峰不会导致器件击穿,但为了确保器件的可靠性,功率MOSFET 的结区温度应当保持于规定的最大结区温度以下.器件的稳态结区温度可表达为:
T_{J}=P_{D}R_{ JC}+T_{C}
其中,T_{J}:结区温度;T_{C}:管壳温度;P_{D}:结区能耗;R_{ JC}:稳态下结区至管壳的热阻.
不过在很多应用中,功率 MOSFET 中的能量是以脉冲方式耗散,而不是直流方式.当功率脉冲施加于器件上时,结区温度峰值会随峰值功率和脉冲宽度而变化.在某指定时刻的热阻叫做瞬态热阻,并由下式表达:
Z_{ JC}(t)=r(t) R_{ JC}
这里,r(t)是与热容量相关,随时间变化的因子.对于很窄的脉冲,r(t)非常小;但对于很宽的脉冲,r(t)接近1,而瞬态热阻接近稳态热阻.
有时输入电压并不是一个固定值,它会随着时间或者其他因素而变动.这个变动导致PWM电路提供给MOSFET管的驱动电压是不稳定的.为了让MOSFET管在高gate电压下安全,很多MOSFET管内置了稳压管强行限制gate电压的幅值.在这种情况下,当提供的驱动电压超过稳压管的电压,就会引起较大的静态功耗.同时,如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压,就会出现输入电压比较高的时候,MOS管工作良好,而输入电压降低的时候gate电压不足,引起导通不够彻底,从而增加功耗.
MOSFET导通时需要是栅极电压大于源极电压.而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V.4V或10V是常用的MOSFET的导通电压,设计时需要选择合适.合适的门电压会使得导通时间快,导通电阻小. 目前市场上也有低电压驱动MOSFET,但耐压都较低,可以选择用在串接要求不是很高的场合.
常用LED驱动MOSFET推荐:
- VN2204 40V 8A
- VN3205 50V 1.2A
- IRFL014 60V 2.7A
- IRF840 500V 8A
- 2SK2545 600V 6A
- IRFB20N50K500V 20A
