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VTH相关应用问题分析:电源系统开机工作不正常、低温不开机

VTH相关应用问题分析:电源系统开机工作不正常、低温不开机

例1:低温不开机


国内某通讯公司,做了一批基站系统,出口到俄罗斯,7、8份的时候,就有一些产品开始返回,原因是系统不能开机,换了另外的系统板后,系统能工作正常。有问题的系统板在国内的实验室测试,客户的工程师发现能够正常工作没有问题,以为是个例,没有太关注。到了10、11月,发现不能开机工作的系统越来越多,客户工程师才开始重视这个问题,找到功率MOSFET的供应商,对方的FAE说功率MOSFET都正常,没有问题,于是就不再处理。由于系统板上使用了当时作者所在公司的PWM控制器,客户也找到作者去解决问题。


问题分析:检查后,发现通讯系统板直接使用电源模块将-48V变为3.3V,然后用Buck降压变换器将3.3V变为系统板上各种芯片供电所需的的2.5V、1.2V等电压。降压变换器使用PWM芯片外加分立的功率MOSFET,客户工程师选用的是逻辑电平驱动的功率MOSFET,因此问题就产生了。


使用3.3V的VCC电压线PWM芯片供电,Buck变换器的上管需要浮驱,因为上管的源极电压不是固定,PWM内部自举二极管的压降为0.4V,实际加在上管的驱动电压只有2.9V。


前面讨论过,逻辑电平驱动的功率MOSFET的VTH中间值1.5-2V,查看客户选用的功率MOSFET数据表,VTH的上限电压2.5V,实际的驱动电压为2.9V,在常温下,大多数器件的VTH在中间值,即使是处在VTH上限的器件,虽然驱动电压的裕量非常小,驱动电压较低导致器件的温度上升,但是MOSFET仍然可以正常的工作。由于VTH是负温度系数,当温度降低的时候,VTH值就会增加,这样功率MOSFET的沟道反型层的宽度就会变得越来越小,导通电阻逐渐增大。


随着温度的进一步降低,VTH值就会进一步的增大,处于VTH上限电压的一些器件的沟道反型层宽度低到一定值,器件无法完全导通,系统就不能开机正常工作。温度降得越低,不能工作的器件就会越多,就出现了问题中所出规的情形。


和客户工程师设计后,给出了二个方案:
(1)选用次逻辑电平驱动的功率MOSFET。
(2)使用一个小的BOOST升压变换器或充电泵,将3.3V的电压升到5V,给PWM芯片的VCC供电。


由于大电流的次逻辑电平驱动的功率MOSFET价格非常贵,而且型号特别少,交货时间长,客户工程师采用了通用性比较强的第二种方案,使用一个小的
集成的BOOST升压变换器,问题解决。


总结:当发现电源系统低温不开机或工作不正常的时候,首先检查PWM输出的驱动信号是否正常。如果驱动信号正常,那么就要检查产生的原因是否是因为驱动电压的不足。

例2:开机工作不正常


国内某电视机公司,使用MCU的I/O口直接控制LED背光驱动的升压Boost变换器,发现系统有些能正常工作,有些不能正常工作,有些重复开关机几次后能工作,而且有问题的系统只要正常工作就没有问题,客户找到作者寻求帮助。


问题分析:检查系统,发现MCU的供电电压为5V,使用的功率MOSFET为通用驱动电压的功率MOSFET。


通用电平驱动的功率MOSFET的VTH中间值3V,VTH的测量的条件为:IDDS = 250uA,这只是沟道刚开始形成反型层的电压,如果要使这种类型的MOSFET完全开通,驱动电压至少要7V以上。当驱动电压降低时,沟道的宽度就会减小,导通电阻变大,低到一定的值,器件就不能完全导通。


由于功率MOSFET的VTH是负温度系数,VTH外在临界状态的器件,反复开关机几次,虽然导通电阻大,电流小,由于工作在线性区,只要能产生足够的功耗,器件的温度上升,VTH就会降低,因此系统就进入正常的工作,这也就是为什么有些器件反复开关机几次能正常工作的原因。



解决的方案:更换逻辑电平驱动电压的功率MOSFET。


例3:负载开关开机工作不正常


国内某电视机公司,使用AO3401A做负载开关,如下图,用来缓冲热插入移动硬盘的瞬间冲击电流,防止瞬间把主机芯电压拉低,发现系统不能开机。




问题分析:检查系统,发现R45/R46设置的驱动电压不够,查阅AO3401A的数据表,可以看到,VTH的上限为-1.3V,为了保证AO3401A完全导通,R46上所得到分压的绝对值必须要大于1.3V,同时要有足够的裕量,因为还要考虑到分压电阻参数值的分散性和AO3401A的温度系数。




图中,R45串联在G极,和C18、R46一起调节MOSFET的开通速度,R45和46通过分压,在满足要求的开通速度条件下,同时保证VGS不能超过最大额定电压;另外,R46上的分压值也不能太小,否则在稳态下AO3401A不能完全导通。

解决的方案:适当的减小R45或增大R46的电阻值,系统工作正常。

例4:驱动电压和VTH下限的优化选择


功率MOSFET的栅极驱动电压要比VTH大许多才能保证器件完全开通,对于一个系统,最大的电流是相对固定的,因此对应的米勒平台电压也是固定的,如果感应的VGS超过米勒平台电压持续一定时间,形成真正的直通,而不是弱直通,就会导致器件中产生大电流的冲击,严重的情况下系统还会炸机。


器件工作在过载或在高温下工作,由于VTH是负温度系数,VTH降低,直通的可能性大大增加。


功率MOSFET驱动电路很少用负压吸收VTH的感应电压尖峰,在高压的应用中,dv/dt非常大,耦合到栅极产生的感应电压比较大,因此容易导到MOSFET产生误触发导通。除了在电路上进行优化,可以设定VTH的下限来防止MOSFET产生误触发导。












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