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[参考译文] LM7481:MOSFET 故障

Guru**** 2589280 points
Other Parts Discussed in Thread: LM317, LM7481-Q1, LM7481

请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/1370795/lm7481-mosfet-failure

器件型号:LM7481
主题中讨论的其他器件:LM317

工具与软件:

你好!

我们在使用 LM74810电源路径控制器的方式时遇到了问题。 请参阅随附的原理图。

VAUX 和 VBAT 是2路电源/电池输入、典型值为24V。 V_MOTOR 连接到电机驱动器 IC。 控制逻辑由 VAUX 供电。

我们使用 LM74910为电机选择电源、我们的选择不依赖于哪个电源电压较高。 我们选择 VAUX_EN 和 VBAT_EN (由3V3处理器驱动)。 在我们的应用中、VAUX_EN 和 VBAT_EN 绝不会同时开启。 逻辑信号 VAUX_EN 和 VBAT_EN 之间的切换时间~20us。

我们的经验是、即使系统中没有高电流(电机始终关闭)、Q2或 Q7也会发生短路故障。 我们测量 MOSFET 体二极管压降、然后在 VAUX 和 VBAT 之间多次切换、在一段时间后 Q2或 Q7会测量体二极管的0V/短路。

您是否对我们的错误行为有任何见解?

此致


e2e.ti.com/.../lm74810_5F00_query.pdf

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    尊敬的 Marius:

    都似乎出现了 MOSFET SOA 故障。

    启动期间是否打开下游负载?

    请使用此工具来设计您的启动。

    FET-INRUSH-SOA-CALC 计算工具|德州仪器 TI.com

    此致、

    Shiven Dhir

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    尊敬的 Shiven:
    感谢您的意见。
    我已填写计算器电子表格步骤1和2。 我不确定第3步。 电子表格中链接的教程显示了不同的参数、即略有不同的电子表格。
    还需要处理相当大的电容。 V_MOTOR 上还有3500uF (因此总共约4000uF)。 LM317下游还有一个2200uF、我希望使用它的电流限制来调节流入该电容器的浪涌电流。
    上电时、两个 LM74810均关闭、逻辑部分通过 D3由 VAUX 供电。
    我使用了数据表中示例中的 Cdvdt = 10n 和 R=100R
    但我似乎忽略了输出端的大量电容。
    我希望电子表格中的计算正确、可以看到对于实现的电路(Cdvdt=10nF)、浪涌电流在20A 范围内。
    我们的应用对其打开所需时间不敏感、因此似乎可以轻松地使 Cdvdt=47nF 并将浪涌电流降低到5A。
    请参阅下图。 顶部显示所用 Q2的 SOA、底部显示另一种方案的 SOA。 在每个 I 上都显示了上面计算的4个浪涌电流示例的相关点(I 使用30V、最高电路电压)。
    我的解释是、对于所有浪涌电流示例、所用的 Q2都在 SOA 之外。 对于替代器件、现有电路处于临界状态、但较低的浪涌电流良好在 SOA 范围内。
    我对您的问题:
    • 我的解释是否正确、当 Cdvdt=47nF、t_inrush~10ms 并且使用替代 FET 时电路是否正常?
    • Cdvdt 值的合理上限是多少?
    • 延长浪涌时间时、有什么注意事项吗?
    • 串联电阻器(数据表示例中为100R)有什么影响/更改该值有什么影响?
    • 您能否说明如何使用 FET-INRUSH-SOA-CALC 计算工具中的第3部分| TI.com (很遗憾、我无法弄清楚如何将我的示例文件附加到此回复中)
    谢谢、此致、
    Marius
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    Maurius、您好!

    1.是的,您的解释是正确的。 它可以在更少的电流下工作。

    2.我不建议 CdvdT 上的电容大于0.1uF

    3. FET SOA 裕度和启动时间是唯一的考虑因素

    4. 100欧姆电阻器限制进入 CdvdT 的电流。 电容器的放电也取决于该电阻器。 100欧姆值不错。

    5. 在步骤3中、您需要输入启动的详细信息。 如所示、在 VOUT 处、您将开始绘制加载。 负载(电阻或恒定电流)的曲线是什么。 这是了解您的设计是否通过启动的重要一步。 建议 SOA 裕度大于1.3。

    此致、

    Shiven Dhir

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    尊敬的 Shiven:
    再次感谢您的反馈。
    关于您的编号列表:
    2) 2) Cdvdt 超过100N 时有哪些注意事项?
    5)我注意到,'启动负载值'你的电子表格有'欧姆',我下载的一个有'A'。
    请参阅以下内容。 首先、为什么两个单元格都是红色的(看起来不管它们具有什么值、它们都是红色的)? 其次、为什么使用数据表 EQN 计算时、启动时间的结果几乎是该值的两倍?
     电子表格中使用的设计公式是否有参考?
    谢谢、此致、
    Marius
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    尊敬的 Marius:

    2.当我们跨越100nF 的 Cdvdt 时,我们需要一个额外的本地放电网络。 通常、Cdvdt 放电到控制器中。 但当电容器为0.1uF 时、能量较高、将其放电到 IC 可能会损坏它。

    5.电子表格有一个可变的负载类型,恒定的电流/电阻,因此单位被改变。 请与我分享您的计算器以供查看。

    此致、

    Shiven Dhir

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    尊敬的 Shiven:

    对不起我方面的延误。 我们同时订购了零件等。

    关于以下几点:

    2)你之前说过"我不建议 CdvdT 上的电容超过0.1uF",这意味着100nF 仍然可以。 在上一篇文章中、您说过"但当电容为0.1uF 时、能量较高、将其放电至 IC 会损坏它"、由此得出100nF 已经过高、可能会损坏 IC。 为了保证不损坏 IC、Cdvdt 的安全上限是多少?

    5) 5)请参阅随附的电子表格、了解实现的计算。

    e2e.ti.com/.../LM74810_5F00_inrush.xlsx

    此致、

    Marius

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    尊敬的 Marius:

    在47nF-68nF 下、器件不会损坏。 尽管这并不一定意味着您需要使用68nF。 您必须确保浪涌电流随时间变化的最佳位置处于安全的 SOA 中。  

    此致、

    Shiven Dhir

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    尊敬的 Shiven:

    我已经使用备用 MOSFET 运行了一些测试(请参阅我发布的6月17日上午7:51将原始 MOSFET SOA 与备用 MOSFET SOA 进行比较)。

    我的测试设置会将负载开关打开半秒、然后关闭15秒。 当负载开关关闭时、一个附加的负载电阻器(仅是测试设置的一部分)会使负载电容器放电。 我还添加了一个与负载电容并联的额外1200uF 电容器、以确保为成功解决方案留出一些余量( 下图中 CBULK+= 1200uF)。 红色曲线 A 表示 MOSFET 两端的电压、蓝色曲线 B 表示电源路径中20m Ω 电流检测电阻两端的电压。

    Cdvdt=20nF 情况下一开始没有问题、直到我从 Vin=30V 变为 Vin=32V

    与此相关的2个问题:

    • 低于备选 MOSFET 的 SOA、它不应损坏、但仍然会损坏。 可能是什么原因?
    • 当它断开时、我希望它能够在后面的脉冲中断开、此时它吸收了与第一个脉冲至少相似的能量。 但损坏得早很多。 为什么会这样?
    • 我尝试了使 Cdvdt=47nF、它可以将浪涌电流大致减半并使浪涌时间加倍。 但是、MOSFET 仍然是坏的、而且考虑到所用 MOSFET 的 SOA、我真的期望 Iinrush ~5A 可以正常工作。

    对于如何解决此问题、您还有其他见解吗?

    2个小外设点:

    • LM7481-Q1 SNOSD98A 中的公式(7)–2020年5月–2020年12月修订版使用数字"12"。 我在计算中盲目地使用相同的数字、该数字应该是32V。 如果公式中有常量、则我假设它们要么是物理常量的结果、要么是特定于器件/不可更改的数字。 也许 EQN 7可使用'Vin'、'Vbatt'或类似工具进行改写。
    • 在哪里可以找到有关 LM7481内部电路的更多信息、特别是关于 Cdvdt 引脚的信息(您曾提到 Cdvdt>100nF 需要外部电路)?

    此致、

    Marius

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    尊敬的 Marius:

    根据公式 I=Cdv/dT、12只适用于12V 系统。 在本例中、它将变为32、而不是12。 大约增加了3倍。

    内部电路没什么大不了的、只是100nF 电容器充电到30V 时、能量非常大、因为它最终必须放电到控制器中。 如果我们添加本地放电网络、我们也可以添加更高的 Cdv/dT。

    如果您运行的是非常高的值库、则需要更强的 FET、或者持续时间非常长的超低浪涌电流可能会有所帮助。  

    此致、

    Shiven Dhir

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    尊敬的 Shiven:

    感谢您的持续支持。

    1. 为什么我使用的 FET 不够强? 我似乎在 SOA 中使用它。
    2. 这是我能找到的最强60V FET (此处最强、即 SOA 内可接受的最高直流电流)。 您有更强烈的建议吗?
    3. 您能否分享局部放电网络的原理图? 如果我需要 Cdvdt > 68nF、

    此致、

    Marius

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    尊敬的 Marius:

    本地放电网络是这样的。 尽管仅用于评估、但您也可以将 Cdv/dt 保持为0.1uF。 重复开/关是控制器的问题。 您也可以在没有此网络的情况下测试启动。

    此致、

    Shiven Dhir

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    尊敬的 Shiven:

    1) 1)请查看我随附的计算电子表格。
    我已经使用了 SLVA673A、并按照第3.2节中48V、20A PMBus 热插拔设计的计算进行操作。
    对于电子表格中的示例计算、我获得的值与 SLVA673A 相同(这只是在电子表格中检查我的 EQN)。
    然后、我为我的应用执行相同的计算。 我的解释是、如果绿色单元中的结果小于浅橙色单元(25度)和深橙色单元(85度环境温度)中的结果、则 FET 应处于 SOA 范围内。
    这种解释是否正确?


    e2e.ti.com/.../lm7481_5F00_mosfet_5F00_soa.xlsx


    尽管我的实验均使用25度 MOSFET、无负载(电路的容性负载除外)、关断和导通之间有15秒的时间、但这些实验仍然会中断、尽管浪涌电流明显低于 SOA 电流。
    我遗漏了哪些注意事项?

    2)从该电路迁移时

    与使用外部放电的降压转换器相比、

    当 C1变大时、放电电路中的 R1 (不在应用手册中)将为 Q1提供一些保护。

    您之前已经说过:"100欧姆电阻器会限制进入 CdvdT 的电流。 电容器的放电也取决于该电阻器。 100欧姆是一个很好的价值。"

    1. 在应用手册放电电路中、不存在 R1到 C1的连接。 在这种情况下、如何限制电流?
    2. 为了将 HGATE 的关断时间保持为低电平、我希望在 C1变大时将 R1设为低电平。 从 LM7481对 C1进行充电时、R1是否有下限? 对于放电、Q1进行处理。

    此致、

    Marius

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    尊敬的 Marius:

    您的测试设置中的总电容是多少?

    1200uF +负载电容器。 您能提到总 COUT 吗?

    此致、

    Shiven Dhir

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    尊敬的 Shiven:

    电路具有约4800uF 的负载电容。 为了进行测试、我已并联添加了1200uF。

    在电子表格中、我使用的值为6000uF。

    此致、

    Marius

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    尊敬的 Shiven:

    只是另一个想法。 您提到、R1与 Cdvdt 串联的100R 是一个不错的值。 100R 从何而来?

    我唯一看到的是来自 HGATE 参数、其中灌电流为~200mA (没有提供最大值)。 使用 Vsupply=12V -> V_HGATE~23V 的典型值、我们可以得到230mA。 我假设 HGATE 通过 LM7481放电至 GND。

    您还提到过、需要添加本地放电网络、因为 C1越大、放电到控制器中的能量就越高。

    如果为 R1使用较高的电阻值、以便将流入控制器的放电电流限制在 C1值较大时可接受的值、应该怎么办?

    如果可行、设计公式是什么?

    此致、

    Marius

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    尊敬的 Shiven:

    从我们这方面来说、现在有一点紧急。最后、我想请您回答开放的问题。

    对 Cdvdt 使用较高值时、R1值的限制因素是什么?

    我对 Cdvdt 和 R1运行了不同值的测试、环境温度高达80度。

    如果我使用 Cdvdt=220nF 并且 R1=280R、您是否看到 LM7481有任何问题?

    我可能会使用 R1=470R。

    (无法将放电电路集成到现有 PCB 上。)

    此致、

    Marius

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    尊敬的 Marius:

    CdvdT 路径中的电阻器用于限制放电期间进入控制器的电流、而不限制进入电容器的电流。 很抱歉之前出错。

    较高的电阻器将有一个缺点、即在关断期间、如果控制器在非常短的间隔内再次导通、Cdvdt 将不会完全放电、并且浪涌电流可能无法按预期加以控制。 最好添加本地放电电路、因为它会立即对 Cdvdt 放电、而快速开/关不会出现问题。

    此致、

    Shiven Dhir

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    尊敬的 Shiven:

    再次感谢你的答复、但我认为我的问题没有得到解决。

    您先前提到、需要 R1限制进入控制器的 Cdvdt 放电电流、"100R 为合理值"。 您还提到了 Cdvdt~68-100nF 是 Cdvdt 的上限、因为控制器可以处理的范围。

    从您之前的注释"但当电容器为0.1uF 时、能量较高、将其放电到 IC 会损坏它。" 我认为需要增大 R1以确保 IC 不会损坏。

    在本例中、如果我需要 Cdvdt > 100nF 来管理浪涌电流、则我假设我需要增大 R1以使放电电流更低。

    我的问题是:

    对于 Cdvdt > 100nF、如何找到 R1的最小可接受限值? (不使用附加的放电电路)

    此致、

    Marius

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    尊敬的 Marius:

    为错误的信息道歉。 如前所述、该电阻器用于限制放电状态下的电流。 我将与设计人员核实、以了解需要多高的电阻来避免本地放电网络。  

    再次提请您注意、增大电阻会减慢放电速度、而快速开启/关闭控制器不会限制浪涌电流、因为 CdVdT 会保持充电状态。

    此致、

    Shiven Dhir

  • 请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    尊敬的 Shiven:

    您能否告知我们、我们在8月26日之后应该会对我们的疑问做出回应?

    此致、

    Marius

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    尊敬的 Marius:

    对于220nF 的 Cdvdt、您可以使用470R

    此致、

    Shiven Dhir