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 俄罗斯, 实验室, 控制器, 工程师, 供应商

掘金小分队

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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