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智能美顏化妝鏡燈帶控制電路設計-化妝鏡帶燈電路板

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瀏覽：- 發布日期：2020-05-21 09:23:09【大中小】

智能美顏化妝鏡燈帶控制電路設計-化妝鏡帶燈電路板

公司做了一個智能美顏化妝鏡項目，需要設計一個燈帶控制電路，CPU根據不同場景智能調節燈帶亮度。本文記錄了一下電路設計思路和實際調試效果。

燈帶：12V供電，LED燈3串20并。

方案一：用PWM信號控制S8050 NPN型三極管，從來規格書上面來看，參數是可以滿足要求

實際測試發現在最亮和最暗的時候S8050發熱還可以接受，但是在40%亮度的時候發熱比較嚴重，用兩個S8050并聯發現發熱集中在一個三極管上面。說明此方案有明顯缺陷，不能使用。

方案二：用P-MOS做控制開關,選擇散熱封裝好的MOSFET器件，達到客戶的要求；設計方案如下

化妝鏡帶燈線路板

1 VDS的選擇

電源應用中首先考慮漏源電壓VDS的選擇。原則為MOSFET實際工作環境中的最大漏源極間的電壓小于器件的額定的50%。即：VDS_Max≤50%*VDS

2 ID的選擇

其次考慮漏極電流的選擇?；驹瓌t為 MOSFET 實際工作環境中的最大周期漏極電流不大于規格書中標稱最大漏源電流的 50% ；漏極脈沖電流峰值不大于規格書中標稱漏極脈沖電流峰值的 50% 即：

ID_max ≤ 20-30% * ID

ID_pulse ≤ 20-30% * IDP

參數如下：

3驅動電壓的選擇

MOSFEF的驅動要求由其柵極總充電電量（ Qg ）參數決定。在滿足其它參數要求的情況下，Qg值越小越好。驅動電壓選擇在保證遠離最大柵源電壓（ VGSS ）前提下使RDS(on)盡量小的電壓值（一般使用器件規格書中的建議值）

參數如下：

4 器件溫升參數的選擇

小的 RDS(on) 值有利于減小導通期間損耗，小的VGS(th)值可減小溫度差（同樣耗散功率條件下），故有利于散熱。

參數如下：

5 器件功耗的計算

MOSFET 損耗計算主要包含如下 8 個部分：

PD = Pon + Poff + Poff_on + Pon_off + Pds + Pgs+Pd_f+Pd_recover

詳細計算公式應根據具體電路及工作條件而定。例如在同步整流的應用場合，還要考慮體內二極管正向導通期間的損耗和轉向截止時的反向恢復損耗。損耗計算可參考下文的“MOS管損耗的8個組成部分”部分。

參數如下：

6 器件工作環境溫度估算

器件穩態損耗功率PDmax應以器件最大工作結溫度限制作為考量依據。如能夠預先知道器件工作環境溫度，則可以按如下方法估算出最大的耗散功率：

PDmax≤ Tj,max - Tamb ）/Rθj-a

其中Rθj-a是器件結點到其工作環境之間的總熱阻,包括 Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance等。如其間還有絕緣材料還須將其熱阻考慮進去。所以需要在必要的時候考慮增加硅膠和散熱片，更需要注意的一點就是器件本體的散熱PAD需要在主板上面處理好。

7 控制信號的頻率估算

MOS是由一個PWM信號控制，估需要先評估MOSFET能接受的最大頻率是多少？

從相關參數來看1M是沒有問題的。

MOS管損耗的8個組成部分

在器件設計選擇過程中需要對 MOSFET 的工作過程損耗進行先期計算，以便對器件有個大概的功耗認識。

MOSFET 的工作損耗基本可分為如下幾部分：

1 導通功耗Pon

導通損耗,指在 MOSFET 完全開啟后負載電流（即漏源電流）IDS(on)(t)在導通電阻RDS(on)上產生的功耗。

導通損耗計算

先通過計算得到IDS(on)(t)函數表達式并算出其有效值IDS(on)rms，再通過如下電阻損耗計算式計算：

Pon=IDS(on)rms2 ×RDS(on)×K× Don

說明

計算IDS(on)rms時使用的時期僅是導通時間Ton，而不是整個工作周期 Ts ；RDS(on)會隨IDS(on)(t)值和器件結點溫度不同而有所不同，此時的原則是根據規格書查找盡量靠近預計工作條件下的RDS(on)值（即乘以規格書提供的一個溫度系數 K）。

2 截止損耗Poff

截止損耗，指在MOSFET完全截止后在漏源電壓VDS(off)應力下產生的漏電流IDSS造成的損耗。

截止損耗計算

先通過計算得到MOSFET截止時所承受的漏源電壓VDS(off)，在查找器件規格書提供之IDSS，再通過如下公式計算：

Poff=VDS(off)×IDSS × 1-Don ）

說明

IDSS會依 VDS(off)變化而變化，而規格書提供的此值是在一近似V(BR)DSS條件下的參數。如計算得到的漏源電壓VDS(off)很大以至接近V(BR)DSS則可直接引用此值，如很小，則可取零值，即忽略此項。

3開啟過程損耗

開啟過程損耗，指在 MOSFET 開啟過程中逐漸下降的漏源電壓 VDS(off_on)(t) 與逐漸上升的負載電流（即漏源電流） IDS(off_on)(t) 交叉重疊部分造成的損耗。

開啟過程損耗計算

開啟過程 VDS(off_on)(t) 與 IDS(off_on)(t) 交叉波形如上圖所示。首先須計算或預計得到開啟時刻前之 VDS(off_end) 、開啟完成后的 IDS(on_beginning)，以及 VDS(off_on)(t) 與 IDS(off_on)(t) 重疊時間 Tx 。然后再通過如下公式計算：

Poff_on= fs ×∫ Tx VDS(off_on)(t) × ID(off_on)(t) × dt

實際計算中主要有兩種假設 — 圖 (A) 那種假設認為 VDS(off_on)(t) 的開始下降與 ID(off_on)(t) 的逐漸上升同時發生；圖 (B) 那種假設認為 VDS(off_on)(t) 的下降是從 ID(off_on)(t) 上升到最大值后才開始。圖 (C) 是 FLYBACK 架構路中一 MOSFET 實際測試到的波形，其更接近于 (A) 類假設。針對這兩種假設延伸出兩種計算公式：

(A) 類假設 Poff_on=1/6 × VDS(off_end) × Ip1 × tr × fs

(B) 類假設 Poff_on=1/2 × VDS(off_end) × Ip1 × (td(on)+tr) × fs

(B) 類假設可作為最惡劣模式的計算值。

說明：

圖 (C) 的實際測試到波形可以看到開啟完成后的 IDS(on_beginning)>>Ip1 （電源使用中 Ip1 參數往往是激磁電流的初始值）。疊加的電流波峰確切數值我們難以預計得到，其跟電路架構和器件參數有關。例如 FLYBACK 中實際電流應是 Itotal=Idp1+Ia+Ib (Ia 為次級端整流二極管的反向恢復電流感應回初極的電流值 -- 即乘以匝比， Ib 為變壓器初級側繞組層間寄生電容在 MOSFET 開關開通瞬間釋放的電流 ) 。這個難以預計的數值也是造成此部分計算誤差的主要原因之一。

4 關斷損耗

關斷過程損耗。指在 MOSFET 關斷過程中逐漸上升的漏源電壓VDS(on_off) (t)與逐漸下降的漏源電流IDS(on_off)(t)的交叉重疊部分造成的損耗。

關斷過程損耗計算

如上圖所示，此部分損耗計算原理及方法跟 Poff_on類似。首先須計算或預計得到關斷完成后之漏源電壓VDS(off_beginning)、關斷時刻前的負載電流IDS(on_end)即圖示之 Ip2 以及VDS(on_off) (t)與IDS(on_off)(t)重疊時間 Tx 。然后再通過如下公式計算：

Poff_on= fs×∫Tx VDS(on_off)(t)×IDS(on_off)(t)×dt

實際計算中，針對這兩種假設延伸出兩個計算公式：

(A) 類假設 Poff_on=1/6×VDS(off_beginning)×Ip2×tf×fs

(B) 類假設 Poff_on=1/2×VDS(off_beginning)×Ip2×(td(off)+tf)×fs

(B) 類假設可作為最惡劣模式的計算值。

說明：

IDS(on_end) =Ip2，電源使用中這一參數往往是激磁電流的末端值。因漏感等因素， MOSFET 在關斷完成后之VDS(off_beginning)往往都有一個很大的電壓尖峰Vspike疊加其上，此值可大致按經驗估算。

5 驅動損耗Pgs

驅動損耗，指柵極接受驅動電源進行驅動造成之損耗

驅動損耗的計算

確定驅動電源電壓Vgs后，可通過如下公式進行計算：

Pgs=Vgs×Qg×fs