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LED恒流驅動器件MOSFET選擇

發布時間:2017-08-30

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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栅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,由于制造工藝限制産生的。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。體二極管隻在單個的MOS管中存在,在集成電路芯片内部通常是沒有的。

  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,它的栅極電容比較大,在導通之前要先對該電容充電,當電容電壓超過阈值電壓(VGS-TH)時MOSFET才開始導通。因此,栅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内完成對等效栅極電容(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,但可以降低栅極驅動回路信号源内阻Rs的值,從而減小栅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裡,我們談選擇MOSFET是指外置MOSFET驅動恒流IC。内置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需要合适的驅動能力,MOSFET輸入電容是關鍵的參數!

  下圖Cgd和Cgs是MOSFET等效結電容。

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一般IC的PWM OUT輸出内部集成了限流電阻,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,并且為了防止外部幹擾,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的栅極。

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以上讨論的是MOSFET ON狀态時電阻的選擇,在MOSFET OFF狀态時為了保證栅極電荷快速瀉放,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号管1N4148。

  MOS開關管損耗:不管是NMOS還是PMOS,導通後都有導通電阻存在,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,在這段時間内,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,可以減小單位時間内的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損耗。

  輸出的要求:因為MOSFET一般都連接着感性電路,會産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。瞬間短路電流的産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,瞬間短路電流會顯着降低電源的效率,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。


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