为什么我要烹饪 MOSFET?

电器工程 Arduino 场效应管 静电放电
2022-01-18 03:45:15

我制作了一个非常简单的 MOSFET LED 驱动器,它使用Arduino Nano的 PWM来切换 MOSFET,它控制约 16 米 LED 灯条的功率。

我正在使用STP16NF06 MOSFET

我正在控制 RGB LED,因此我为每种颜色使用三个 MOSFET,当所有 16 米的 LED 灯条都在运行时,我消耗的电流约为 9.5 安培。

9.5 A/ 3 channels = 3.17 A maximum load each.

MOSFET 的完全导通电阻为 0.8 Ω,所以我的热量应该是我的 I 2 R 损耗

3.17 amperes^2 * 0.08 ohms = 0.8 watts

数据表显示每瓦发热量为 62.5 °C,最高工作温度为 175 °C,预期环境温度低于 50 °C

175 °C - (0.8 W * 62.5 °C/W) + 50 °C = 75 °C for margin of error

我在没有散热器的情况下运行这些 MOSFET,并且我让它在一个程序上整夜运行,该程序只是循环红色绿色蓝色白色不停并且它没有过热。我希望这条电路能够每天运行 16 小时以上。

我为 LED 使用 12 V 电源和来自 Arduino 的 5 V 控制信号,因此我不应该超过 60 V 的漏极栅极电压或 20 V 的栅极源极电压。

今天我在空调办公室的办公桌旁玩它之后,我发现我无法像今天早些时候那样关闭红色通道。在没有连接电源的情况下测量栅极到漏极,我发现红色通道上有 400 Ω,绿色和蓝色通道上有无法测量的高电阻。

这是我正在使用的示意图。这是同样的事情,只是重复了 3 次,5 V 是来自 Arduino 的 PWM 信号,没有电阻的单个 LED 只是 LED 灯条的替代品,它有电阻器和坚固的设置,我觉得我不需要模拟。

这是我正在使用的示意图

我认为在我将 Arduino 插入和拔出其排针大约 50 次后它失败了,尽管我不确定这有什么意义,因为 Arduino 仍然有效。

在此处输入图像描述

因此,鉴于它工作了几天,包括一天的高负载,我的问题

  1. 热插拔 Arduino 进出这个电路会以某种方式损坏 MOSFET,但不会损坏 Arduino?

  2. ESD会以某种方式成为这里的罪魁祸首吗?我的办公桌是树脂涂层木材或层压木材。需要注意的是,所有三个 MOSFET 的源极都是公共 GND。

  3. 我没有花哨的烙铁,我不知道它是否超过 300 °C。但是,我使用了铅焊料,我在每个引脚上花费的时间尽可能少,我会焊接第一个 MOSFET 的一个引脚,然后焊接第二个 MOSFET 的一个引脚,等等,不要连续从一个芯片做所有引脚,如果太多焊料热量是问题,为什么不会立即产生问题?为什么现在突然出现了?

  4. 我的计算是否有遗漏或疏忽?

3个回答

你的问题是栅极驱动电压。如果您查看 STP16NF06 的数据表,您会发现 0.08 Ω Rdson 仅适用于 Vgs = 10 V,并且您仅使用(略低于)5 V 来驱动它,因此电阻要高得多。

具体来说,我们可以查看图 6(传输特性),它显示了 Vgs 变化时的行为。在 Vgs = 4.75 V 和 Vds = 15 V 时,Id = 6 A,因此 Rds = 15 V / 6 A = 2.5 Ω。(由于一些非线性,它实际上可能没有那么糟糕,但它仍然超出你的容忍范围

ESD 也可能是一个问题:MOSFET 的栅极非常敏感,Arduino(其微控制器具有 ESD 保护二极管)没有理由也一定会受到影响。

我建议让 MOSFET 具有足够低的阈值电压以在 4.5 V 时完全开启。您甚至可以获得在其栅极上包含 ESD 保护的 MOSFET。

关于栅极电压的观点是有效的,但如果 MOSFET 没有升温,我不确定这是否是真正的罪魁祸首。

以数安培驱动的 16 米 12 V LED 灯条在典型的 PWM 频率下将具有显着的电感。这会在每次 MOSFET 关闭时导致漏极电压尖峰。这些尖峰持续时间很短,但电压可能是电源电压的许多倍。

这个特殊问题的解决方案是添加一个与 LED 反并联的续流二极管(肖特基),在 +12V 和漏极之间,就像使用电动机或其他感应负载一样。

还有一件事要检查。

这看起来像是连接到一台或多台 PC 和/或 plugpack 电源的实验装置。

这通常会产生一个环境,该环境无处直接参考大地,或在电路中的某个点以不受控制的方式参考大地,尤其是在使用具有双脚连接电源的膝上型计算机时。

常见的“轻量级”插头组开关电源往往会为您提供相对于地具有高阻抗交流电势的输出轨,其电压为电源电压的一半,叠加在两极上。这通常不会引起注意,因为负载要么完全浮动(塑料外壳附件),要么其接地牢固地连接到接地(台式 PC),并且阻抗足够高不会伤害您(除非您将电线固定到你的舌头,靠近静脉......不要,即使它应该是安全的。)。

然而,在这样的测试设置中,这可能意味着一半的电源电压出现在错误的位置 - 而 60V 甚至 120V(实际上,在最坏的情况下,峰值电压约为 170V...)可能足以损坏栅极如果某个其他电极以任何方式接地(例如,由接地良好的人触摸漏极或源极电路),则表示未受保护的 MOSFET。