VTH相關(guān)應(yīng)用問題分析：電源系統(tǒng)開機(jī)工作不正常、低溫不開機(jī)

小融一號(hào)

例1：低溫不開機(jī)

國內(nèi)某通訊公司，做了一批基站系統(tǒng)，出口到俄羅斯，7、8份的時(shí)候，就有一些產(chǎn)品開始返回，原因是系統(tǒng)不能開機(jī)，換了另外的系統(tǒng)板后，系統(tǒng)能工作正常。有問題的系統(tǒng)板在國內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，客戶的工程師發(fā)現(xiàn)能夠正常工作沒有問題，以為是個(gè)例，沒有太關(guān)注。到了10、11月，發(fā)現(xiàn)不能開機(jī)工作的系統(tǒng)越來越多，客戶工程師才開始重視這個(gè)問題，找到功率MOSFET的供應(yīng)商，對(duì)方的FAE說功率MOSFET都正常，沒有問題，于是就不再處理。由于系統(tǒng)板上使用了當(dāng)時(shí)作者所在公司的PWM控制器，客戶也找到作者去解決問題。

問題分析：檢查后，發(fā)現(xiàn)通訊系統(tǒng)板直接使用電源模塊將-48V變?yōu)?.3V，然后用Buck降壓變換器將3.3V變?yōu)橄到y(tǒng)板上各種芯片供電所需的的2.5V、1.2V等電壓。降壓變換器使用PWM芯片外加分立的功率MOSFET，客戶工程師選用的是邏輯電平驅(qū)動(dòng)的功率MOSFET，因此問題就產(chǎn)生了。

使用3.3V的VCC電壓線PWM芯片供電，Buck變換器的上管需要浮驅(qū)，因?yàn)樯瞎艿脑礃O電壓不是固定，PWM內(nèi)部自舉二極管的壓降為0.4V，實(shí)際加在上管的驅(qū)動(dòng)電壓只有2.9V。

前面討論過，邏輯電平驅(qū)動(dòng)的功率MOSFET的VTH中間值1.5-2V，查看客戶選用的功率MOSFET數(shù)據(jù)表，VTH的上限電壓2.5V，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)電壓為2.9V，在常溫下，大多數(shù)器件的VTH在中間值，即使是處在VTH上限的器件，雖然驅(qū)動(dòng)電壓的裕量非常小，驅(qū)動(dòng)電壓較低導(dǎo)致器件的溫度上升，但是MOSFET仍然可以正常的工作。由于VTH是負(fù)溫度系數(shù)，當(dāng)溫度降低的時(shí)候，VTH值就會(huì)增加，這樣功率MOSFET的溝道反型層的寬度就會(huì)變得越來越小，導(dǎo)通電阻逐漸增大。

隨著溫度的進(jìn)一步降低，VTH值就會(huì)進(jìn)一步的增大，處于VTH上限電壓的一些器件的溝道反型層寬度低到一定值，器件無法完全導(dǎo)通，系統(tǒng)就不能開機(jī)正常工作。溫度降得越低，不能工作的器件就會(huì)越多，就出現(xiàn)了問題中所出規(guī)的情形。

和客戶工程師設(shè)計(jì)后，給出了二個(gè)方案：

（1）選用次邏輯電平驅(qū)動(dòng)的功率MOSFET。

（2）使用一個(gè)小的BOOST升壓變換器或充電泵，將3.3V的電壓升到5V，給PWM芯片的VCC供電。

由于大電流的次邏輯電平驅(qū)動(dòng)的功率MOSFET價(jià)格非常貴，而且型號(hào)特別少，交貨時(shí)間長，客戶工程師采用了通用性比較強(qiáng)的第二種方案，使用一個(gè)小的

集成的BOOST升壓變換器，問題解決。

總結(jié)：當(dāng)發(fā)現(xiàn)電源系統(tǒng)低溫不開機(jī)或工作不正常的時(shí)候，首先檢查PWM輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是否正常。如果驅(qū)動(dòng)信號(hào)正常，那么就要檢查產(chǎn)生的原因是否是因?yàn)轵?qū)動(dòng)電壓的不足。

例2：開機(jī)工作不正常

國內(nèi)某電視機(jī)公司，使用MCU的I/O口直接控制LED背光驅(qū)動(dòng)的升壓Boost變換器，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)有些能正常工作，有些不能正常工作，有些重復(fù)開關(guān)機(jī)幾次后能工作，而且有問題的系統(tǒng)只要正常工作就沒有問題，客戶找到作者尋求幫助。

問題分析：檢查系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)MCU的供電電壓為5V，使用的功率MOSFET為通用驅(qū)動(dòng)電壓的功率MOSFET。

通用電平驅(qū)動(dòng)的功率MOSFET的VTH中間值3V，VTH的測(cè)量的條件為：IDDS = 250uA，這只是溝道剛開始形成反型層的電壓，如果要使這種類型的MOSFET完全開通，驅(qū)動(dòng)電壓至少要7V以上。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓降低時(shí)，溝道的寬度就會(huì)減小，導(dǎo)通電阻變大，低到一定的值，器件就不能完全導(dǎo)通。

由于功率MOSFET的VTH是負(fù)溫度系數(shù)，VTH外在臨界狀態(tài)的器件，反復(fù)開關(guān)機(jī)幾次，雖然導(dǎo)通電阻大，電流小，由于工作在線性區(qū)，只要能產(chǎn)生足夠的功耗，器件的溫度上升，VTH就會(huì)降低，因此系統(tǒng)就進(jìn)入正常的工作，這也就是為什么有些器件反復(fù)開關(guān)機(jī)幾次能正常工作的原因。

解決的方案：更換邏輯電平驅(qū)動(dòng)電壓的功率MOSFET。

例3：負(fù)載開關(guān)開機(jī)工作不正常

國內(nèi)某電視機(jī)公司，使用AO3401A做負(fù)載開關(guān)，如下圖，用來緩沖熱插入移動(dòng)硬盤的瞬間沖擊電流，防止瞬間把主機(jī)芯電壓拉低，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不能開機(jī)。

問題分析：檢查系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)R45/R46設(shè)置的驅(qū)動(dòng)電壓不夠，查閱AO3401A的數(shù)據(jù)表，可以看到，VTH的上限為-1.3V，為了保證AO3401A完全導(dǎo)通，R46上所得到分壓的絕對(duì)值必須要大于1.3V，同時(shí)要有足夠的裕量，因?yàn)檫�要考慮到分壓電阻參數(shù)值的分散性和AO3401A的溫度系數(shù)。

圖中，R45串聯(lián)在G極，和C18、R46一起調(diào)節(jié)MOSFET的開通速度，R45和46通過分壓，在滿足要求的開通速度條件下，同時(shí)保證VGS不能超過最大額定電壓；另外，R46上的分壓值也不能太小，否則在穩(wěn)態(tài)下AO3401A不能完全導(dǎo)通。

解決的方案：適當(dāng)?shù)臏p小R45或增大R46的電阻值，系統(tǒng)工作正常。

例4：驅(qū)動(dòng)電壓和VTH下限的優(yōu)化選擇

功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓要比VTH大許多才能保證器件完全開通，對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，最大的電流是相對(duì)固定的，因此對(duì)應(yīng)的米勒平臺(tái)電壓也是固定的，如果感應(yīng)的VGS超過米勒平臺(tái)電壓持續(xù)一定時(shí)間，形成真正的直通，而不是弱直通，就會(huì)導(dǎo)致器件中產(chǎn)生大電流的沖擊，嚴(yán)重的情況下系統(tǒng)還會(huì)炸機(jī)。

器件工作在過載或在高溫下工作，由于VTH是負(fù)溫度系數(shù)，VTH降低，直通的可能性大大增加。

功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路很少用負(fù)壓吸收VTH的感應(yīng)電壓尖峰，在高壓的應(yīng)用中，dv/dt非常大，耦合到柵極產(chǎn)生的感應(yīng)電壓比較大，因此容易導(dǎo)到MOSFET產(chǎn)生誤觸發(fā)導(dǎo)通。除了在電路上進(jìn)行優(yōu)化，可以設(shè)定VTH的下限來防止MOSFET產(chǎn)生誤觸發(fā)導(dǎo)通。

文章來源：微信公眾號(hào)   融創(chuàng)芯城（一站式電子元器件、PCB、PCBA購買服務(wù)平臺(tái)，項(xiàng)目眾包平臺(tái)，方案共享平臺(tái)）