VTH相關應用問題分析：電源系統開機工作不正常、低溫不開機

小融一號

例1：低溫不開機

國內某通訊公司，做了一批基站系統，出口到俄羅斯，7、8份的時候，就有一些產品開始返回，原因是系統不能開機，換了另外的系統板后，系統能工作正常。有問題的系統板在國內的實驗室測試，客戶的工程師發現能夠正常工作沒有問題，以為是個例，沒有太關注。到了10、11月，發現不能開機工作的系統越來越多，客戶工程師才開始重視這個問題，找到功率MOSFET的供應商，對方的FAE說功率MOSFET都正常，沒有問題，于是就不再處理。由于系統板上使用了當時作者所在公司的PWM控制器，客戶也找到作者去解決問題。

問題分析：檢查后，發現通訊系統板直接使用電源模塊將-48V變為3.3V，然后用Buck降壓變換器將3.3V變為系統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動的功率MOSFET，因此問題就產生了。

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，因為上管的源極電壓不是固定，PWM內部自舉二極管的壓降為0.4V，實際加在上管的驅動電壓只有2.9V。

前面討論過，邏輯電平驅動的功率MOSFET的VTH中間值1.5-2V，查看客戶選用的功率MOSFET數據表，VTH的上限電壓2.5V，實際的驅動電壓為2.9V，在常溫下，大多數器件的VTH在中間值，即使是處在VTH上限的器件，雖然驅動電壓的裕量非常小，驅動電壓較低導致器件的溫度上升，但是MOSFET仍然可以正常的工作。由于VTH是負溫度系數，當溫度降低的時候，VTH值就會增加，這樣功率MOSFET的溝道反型層的寬度就會變得越來越小，導通電阻逐漸增大。

隨著溫度的進一步降低，VTH值就會進一步的增大，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，器件無法完全導通，系統就不能開機正常工作。溫度降得越低，不能工作的器件就會越多，就出現了問題中所出規的情形。

和客戶工程師設計后，給出了二個方案：

（1）選用次邏輯電平驅動的功率MOSFET。

（2）使用一個小的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動的功率MOSFET價格非常貴，而且型號特別少，交貨時間長，客戶工程師采用了通用性比較強的第二種方案，使用一個小的

集成的BOOST升壓變換器，問題解決。

總結：當發現電源系統低溫不開機或工作不正常的時候，首先檢查PWM輸出的驅動信號是否正常。如果驅動信號正常，那么就要檢查產生的原因是否是因為驅動電壓的不足。

例2：開機工作不正常

國內某電視機公司，使用MCU的I/O口直接控制LED背光驅動的升壓Boost變換器，發現系統有些能正常工作，有些不能正常工作，有些重復開關機幾次后能工作，而且有問題的系統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，發現MCU的供電電壓為5V，使用的功率MOSFET為通用驅動電壓的功率MOSFET。

通用電平驅動的功率MOSFET的VTH中間值3V，VTH的測量的條件為：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，驅動電壓至少要7V以上。當驅動電壓降低時，溝道的寬度就會減小，導通電阻變大，低到一定的值，器件就不能完全導通。

由于功率MOSFET的VTH是負溫度系數，VTH外在臨界狀態的器件，反復開關機幾次，雖然導通電阻大，電流小，由于工作在線性區，只要能產生足夠的功耗，器件的溫度上升，VTH就會降低，因此系統就進入正常的工作，這也就是為什么有些器件反復開關機幾次能正常工作的原因。

解決的方案：更換邏輯電平驅動電壓的功率MOSFET。

例3：負載開關開機工作不正常

國內某電視機公司，使用AO3401A做負載開關，如下圖，用來緩沖熱插入移動硬盤的瞬間沖擊電流，防止瞬間把主機芯電壓拉低，發現系統不能開機。

問題分析：檢查系統，發現R45/R46設置的驅動電壓不夠，查閱AO3401A的數據表，可以看到，VTH的上限為-1.3V，為了保證AO3401A完全導通，R46上所得到分壓的絕對值必須要大于1.3V，同時要有足夠的裕量，因為還要考慮到分壓電阻參數值的分散性和AO3401A的溫度系數。

圖中，R45串聯在G極，和C18、R46一起調節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，否則在穩態下AO3401A不能完全導通。

解決的方案：適當的減小R45或增大R46的電阻值，系統工作正常。

例4：驅動電壓和VTH下限的優化選擇

功率MOSFET的柵極驅動電壓要比VTH大許多才能保證器件完全開通，對于一個系統，最大的電流是相對固定的，因此對應的米勒平臺電壓也是固定的，如果感應的VGS超過米勒平臺電壓持續一定時間，形成真正的直通，而不是弱直通，就會導致器件中產生大電流的沖擊，嚴重的情況下系統還會炸機。

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

功率MOSFET驅動電路很少用負壓吸收VTH的感應電壓尖峰，在高壓的應用中，dv/dt非常大，耦合到柵極產生的感應電壓比較大，因此容易導到MOSFET產生誤觸發導通。除了在電路上進行優化，可以設定VTH的下限來防止MOSFET產生誤觸發導通。

文章來源：微信公眾號   融創芯城（一站式電子元器件、PCB、PCBA購買服務平臺，項目眾包平臺，方案共享平臺）