非标准POE电源MOS管发烫分析

一路上

一、前言

最近遇到一款路由产品的硬件开发中，其中一项是客户需要非标准POE供电，可输出的POE供电电压为12/24/30/48V切换，最大输出功率设计为24W，电路采用反激式电源方案（电源芯片MP3910，芯片厂商提供方案）。

在调试该部分电路时出现MOS管（NMOS，SUD50N06）发热严重，输出电压非带载时正常，带载时（开始带载50%）,MOS管发热严重，输出电压被拉低，不论是输出哪一路电压，输出只有9V左右，TLV431的稳压值只有1V左右（正常选择的型号Vref=2.5V）。

开始一直觉得问题出在TLV431上，后来换了板子竟发现可以正常稳压（应该是上一个板子变压器和MOS管出现问题，但没回去验证），但是mos管很烫，带载不到十秒钟就会冒烟。

后来经过与芯片方案的FAE沟通才发现，MSP3910的驱动MOS管的引脚gate脚与MOS管之间的限流电阻用错物料，原理图是4.99欧，但实际用的是4.99K，更换电阻后可输出正常电压，MOS管也不会很烫，下面是解决问题思路：

二、用示波器观察所用MOS管的G极波形

如图一所示，上升时间接近1.32us，下降时间接近<160ns（实测50ns）；

图一

再看如图二所示的手册中对MOS驱动上升下降沿要求，上升时间要求<35ns，下降时间<80ns；

图二

可得结论：上升时间过长导致MOS管工作为线性状态，非开关状态（MOS管发热分析），MOS管开通过程时间太长直接导致了MOS管的发热严重。

图三

三、解决方法

更换驱动限流电阻（图二中Rg），由于当时手里当时没有4.99欧电阻，更换为22欧的电阻后，G极波形如图三所示，Ton和Toff已经接近图二要求的时间，MOS管24V时带载27欧，输出功率21.3W，输出电压正常，MOS管基本不发热。   

四、MOS管发热分析

1、电路设计的问题，就是让MOS管工作在线性的工作状态，而不是在开关状态。这也是导致MOS管发热的一个原因。如果N-MOS做开关，G级电压要比电源高几V，才能完全导通，P-MOS则相反。没有完全打开而压降过大造成功率消耗，等效直流阻抗比较大，压降增大，所以U*I也增大，损耗就意味着发热。这是设计电路的最忌讳的错误；（本次产品测试问题点虽然不是出在电路设计上，但BOM做错比设计错误往往更难分析）

2、频率太高，主要是有时过分追求体积，导致频率提高，MOS管上的损耗增大了，所以发热也加大了；

3、没有做好足够的散热设计，电流太高，MOS管标称的电流值，一般需要良好的散热才能达到。所以ID小于最大电流，也可能发热严重，需要足够的辅助散热片；

4、MOS管的选型有误，对功率判断有误，MOS管内阻没有充分考虑，导致开关阻抗增大。

5、MOS管工作状态(MOS管导通的详细过程)

MOS管工作状态有四种，开通过程、导通状态、关断过程，截止状态；
MOS管主要损耗：开关损耗，导通损耗，截止损耗，还有雪崩能量损耗，开关损耗往往大于后者；
MOS管主要损坏原因：过流（持续大电流或瞬间超大电流），过压（D-S，G-S被击穿），静电（个人认为可属于过压）；

MOS管工作过程非常复杂，里面变量很多，总之开关慢不容易导致米勒震荡，但开关损耗会加大，发热大；开关的速度快，损耗会减低，但是米勒震荡很厉害，反而会使损耗增加。驱动电路布线和主回路布线要求很高，最终就是寻找一个平衡点，一般开通过程不超过1us；

6、MOS管的重要参数及选型

Qgs：栅极从0V充电到对应电流米勒平台时总充入电荷，这个时候给Cgs充电（相当于Ciss，输入电容）；
Qgd：整个米勒平台的总充电电荷（不一定比Qgs大，仅指米勒平台）；
Qg：总的充电电荷，包含Qgs，Qgd，以及之外的其它；

上述三个参数的单位是nc（纳库），一般为几nc到几十nc；Rds（on）：导通内阻，这个耐压一定情况下，越小损耗；总的选型规则：Qgs、Qgd、Qg较小，Rds（on）也较小的管。

五、结语

mos管几种发热原理：1.负载过重，导致mos管过流发热。2.推动激励信号不足，导致mos管发热。3.激励信号过强，也会导致mos管发热。一般mos管工作温度都在120摄氏度以下，都可以工作的。