Superaquecimento do MOSFET de potência em 1A

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Estou construindo um driver de LED RGB controlado por arduino usando o driver de LED de corrente constante WS2803, drivers TLP250 MOSFET e IRF540N MOSFETs. É assim que parece:

Driver de LED

A imagem foi reduzida, então é mais difícil ver que R3, R7 e R11 são resistências de 1k.

Este circuito está conduzindo uma faixa de LED RGB de 5m (100 segmentos) e deve consumir no máximo 2A ​​/ canal. Portanto, cada MOSFET deve lidar com 2A a 13V máx. O IRF540N é avaliado em 100V / 33A. O RDSon deve ter 44mOhm. Assim, pensei que não haveria necessidade de um dissipador de calor.

Obviamente, quero fazer o PWM dessas coisas (PWMs do WS2803 a 2,5kHz), mas vamos nos concentrar no estado ON total. O problema que tenho é que os MOSFETS estão superaquecendo seriamente no estado LIGADO (sem alternar). Você pode ver os valores que medi no estado LIGADO na figura.

O TLP250 parece acionar os MOSFETs corretamente (VGS = 10,6V), mas não entendo por que obtenho um VDS tão alto (como 0,6V nos LEDs vermelhos). Esses MOSFETs devem ter RDSon 44mOhm; portanto, quando 1.4A estiver fluindo através dele, deverá criar uma queda de tensão inferior a 0,1V.

As coisas que eu tentei:

  • removeu o TLP250 e aplicou 13V diretamente no portão - estava pensando que o MOSFET não estava totalmente aberto, mas não ajudou em nada, o VDS ainda estava em 0,6V
  • removeu a tira de LED e usou uma lâmpada de carro 12V / 55W no canal vermelho. Havia 3,5A fluindo, o VDS estava em 2V e subindo à medida que o MOSFET estava esquentando

Então, minhas perguntas são:

  1. por que o VDS é tão alto e por que o superaquecimento do MOSFET?
  2. mesmo com VDS em 0,6V e ID em 1,4A, a potência é de 0,84W, que eu suponho que deveria estar bem sem um dissipador de calor?
  3. eu estaria melhor com um MOSFET menos poderoso, algo como 20V / 5A? Ou use MOSFETs de nível lógico e dirija-o diretamente do WS2803 (embora eu goste do isolamento óptico do TLP250).

Algumas notas:

  • Eu tenho esse circuito apenas em uma placa de ensaio no momento e os fios que conectam a fonte do MOSFET ao GND também ficam muito quentes. Eu sei que isso é normal, pois há uma corrente relativamente alta fluindo através deles, mas pensei em mencionar
  • Comprei os MOSFETs a granel da China, será que esses não são realmente IRF540Ns e têm especificações muito mais baixas?

EDIT: Mais uma coisa. Eu criei este controlador com base no driver MOSFET daqui . O cara está usando fontes de energia separadas para o TLP250 e para a carga (Vsupply, VMOS). Eu usei a mesma fonte para ambos. Não tenho certeza se isso importa. E minha fonte de alimentação é regulada em 12V 10A, então não acho que a fonte de alimentação seja o problema.

Obrigado.

Marek
fonte
Você poderia explicar exatamente como você conseguiu (digamos) todos os LEDs vermelhos conectados - existe um bloco de 330R por série de três LEDs e, portanto, um bloco de três leva cerca de 20mA. Existem 20 lotes em paralelo, ou seja, 60 leds no total, com uma suposta corrente total de 400mA. Por favor, explique como os LEDs estão configurados - não vejo como você obtém 1,4A para os LEDs vermelhos e muito menos porque é mais baixo para os LEDs verdes quando a resistência em série é menor.
Andy aka
Eu coloquei os LEDs no esquema apenas como uma representação de uma faixa de LEDs. É um 5m faixa normal LED RGB com ânodo comum como este Faixa de LED RGB . Btw. o controlador RGB (a caixa branca) que foi fornecido com a tira está produzindo correntes semelhantes, porém menores, para R, G e B. Em teoria, essas são tiras de 72W (12V, 6A), mas você nunca conseguirá. Algo como 50W é mais realista.
Marek
E seus cálculos estão corretos, 400mA por 1m de 60 leds. Então 2A por 5m, mas você nunca conseguirá isso porque o ânodo comum "fio" na tira dificilmente pode empurrar 6A sem perdas significativas. É por isso que recebo 1.4A em vez de 2A.
Marek
Marek, por qual mecanismo o fio "nunca conseguirá isso"? A que você está atribuindo "perdas significativas" especificamente?
darron
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É possível que a resistência das conexões placa-de-chumbo seja realmente a principal fonte de calor (e resistência)? Você pode medir diretamente a queda de tensão nos pinos do pacote FET?
Connor Lobo

Respostas:

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Depois de receber o IRF540N de um vendedor respeitável, posso confirmar definitivamente que os que eu estava usando originalmente são falsificações.

Depois de substituir um falso por um genuíno, obtive Vds = 85mV no canal vermelho. O que eu não esperava era que o FET genuíno esquentasse depois de um minuto ou mais. E então eu percebi que esses FETs não estão gerando muito calor, mas sim esquentam-se (e bastante) da tábua de pão e dos fios (Connor Wolf mencionou). Os fios curtos que conectam a fonte do FET ao GND estão muito quentes quando este está no estado LIGADO. Mover FETs para fora da tábua de pão confirmou que a fonte do calor era a tábua de pão / fios. Um falso estava ficando quente, mas eu poderia esfriar apenas tocando nele. O genuíno estava em algum lugar entre a temperatura ambiente e morno. Btw. medir Vds diretamente nos pinos FET vs medi-lo a 1 cm de distância na placa de ensaio fez cerca de 200mV de diferença (85mV nos pinos, 300mV na placa de ensaio).

Aqui estão algumas fotos, falsas à esquerda, genuínas à direita e marcas do fabricante na parte inferior:

IRF540 falso vs genuíno

Embora haja mais marcações de pacotes de IRF possíveis, como mostrado neste documento, não consegui encontrar nenhuma semelhante à falsa (que apenas suporta que isso seja uma falsificação). Também os recortes na parte superior da placa traseira são retangulares ou redondos no original e nas especificações.

Obrigado por todos os seus comentários! O circuito agora funciona como esperado (PWM incluído).

Marek
fonte
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Hmmm, eu prefiro o estilo do falso e o logotipo de RI é melhor LOL #
Andy aka
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Sim, quando eu olhei para o logotipo por um genuíno eu realmente pensei que eu tenho uma outra falsificação :)
Marek
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Uma lição a ser aprendida - gaste mais e compre da fonte respeitável (mesmo que pareça um pouco desconfiada). Que bom que você encontrou cara. Toda vez que voltei para ver o progresso desse post, tive um sentimento de afundamento em seu nome - talvez você deva nomear e envergonhar o fornecedor?
Andy aka
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Ótimo feedback. Muito melhor do que apenas "o transistor era falso, obrigado". Traz algumas informações para nós também. +1
Vasiliy,
@Andyaka O que eu estou trabalhando é mais uma prova de conceito do que um produto final, então não me importo em usar partes com especificações mais baixas no momento, mas não achei que acabaria em uma situação como essa (quando especificações nem remotamente correspondem à realidade). Bem, pelo menos eu aprendi algo novo.E era um dos MUITOS vendedores do AliExpress e provavelmente existem mais dúzias como ele, então acho que não faz muito sentido chamá-lo. 5 estrelas Eu provavelmente receberia um reembolso total, porque eles têm muito medo de uma classificação de 1 estrela no AliExpress.
Marek
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De acordo com suas medições, o transistor mais alto em resistência é:

RON=VDSEuD=428mΩ

44mΩ

insira a descrição da imagem aqui

EuD=33UMA

Além disso, como Madmanguruman afirmou em sua resposta, levando em consideração o pior cenário de resistência térmica da junção ao ambiente, você deve observar um aumento razoável na temperatura do transistor.

Conclusão: os dados que você forneceu não são consistentes.

Possíveis fontes para o erro:

  • Os transistores que você está usando não são IRF540N
  • Seu equipamento de medição não é preciso
  • Você não faz as medições corretamente. Seus comentários mostram que você os aceita corretamente.
  • Eu estou errado

As duas primeiras são as fontes mais prováveis ​​do erro na minha opinião.

Quanto à segunda parte da sua pergunta, você certamente pode estar melhor com um transistor de tensão mais baixa. A baixa resistência requer o menor número possível de canais, enquanto é difícil obter alta tensão de ruptura com canais curtos. Nesse caso, onde você não espera ver essas altas tensões de dreno para fonte, você pode "trocar" alguma classificação de tensão por uma resistência mais baixa.

Vasiliy
fonte
+1 por apontar que os números não foram adicionados.
gsills
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Eu acho que "superaquecimento" é um pouco exagerado. Quente, sim, mas superaquecendo, não.

A resistência térmica da junção ao ambiente sem dissipador de calor para a parte IR é:

RΘJUMA=62°C/W

A 0,84W, a temperatura de 52 ° C sobe à temperatura ambiente, o que tornará o dispositivo quente demais para ser tocado. A peça é classificada para operação a 175 ° C, mas raramente é uma boa idéia ter peças que possam queimar um operador.

RDS(on)1.5mΩ

Adam Lawrence
fonte
Meu ambiente é de 20 ° C, o que resultaria em 72 ° C. Mas meus FET's estão derretendo plástico (sondas multímetro, placa de ensaio). Não tenho certeza de que tipo de plástico é, mas presumo que a temperatura seja superior a 72 ° C. E obrigado pelo conselho. Pedirei alguns FETs com VDS mais baixo e RDS mais baixo, semelhante ao que você sugeriu (junto com o IRF540N apenas para descobrir se tenho falsificações).
Marek
52C
A resistência térmica da junção ao caso se aplica apenas a uma situação hipotética de 'dissipador de calor infinito'. Minha experiência me leva a acreditar que, sem dissipador de calor e ar parado, o gabinete estará muito quente com quase 1W de dissipação, a menos que muito calor esteja sendo sugado para a PCB.
Adam Lawrence