合科泰技術(shù)答疑 | LED背光驅(qū)動(dòng)中MOSFET先短路后開(kāi)路的故障解析

在LED背光驅(qū)動(dòng)的升壓電路中，功率MOSFET出現(xiàn)先短路后開(kāi)路的損壞情況，是一種典型的故障過(guò)程。先因電氣過(guò)載導(dǎo)致芯片內(nèi)部擊穿短路，隨后因大電流燒斷內(nèi)部連接線(xiàn)而形成開(kāi)路。這一現(xiàn)象通常意味著電路存在設(shè)計(jì)不足或承受了過(guò)大的壓力。今天，合科泰為大家深入解析這一故障背后的原因。

故障過(guò)程分析

該損壞過(guò)程可分為連續(xù)的兩個(gè)階段。首先，MOSFET在芯片層面發(fā)生功能性失效，通常表現(xiàn)為各引腳之間短路。這主要是因?yàn)槠骷谶\(yùn)行時(shí)承受了超出其設(shè)計(jì)限度的電或熱壓力。常見(jiàn)原因包括開(kāi)關(guān)關(guān)閉瞬間產(chǎn)生的異常高壓超過(guò)了器件耐壓值；異常負(fù)載或控制環(huán)路不穩(wěn)導(dǎo)致的持續(xù)過(guò)大電流；驅(qū)動(dòng)信號(hào)不良引起的開(kāi)關(guān)振蕩或控制電壓超標(biāo)；以及長(zhǎng)期高溫工作導(dǎo)致的芯片內(nèi)部材料老化。早期的靜電損傷也可能埋下隱患。在此階段，芯片內(nèi)部已形成導(dǎo)電短路。

隨后，由于芯片已短路，電源電壓幾乎直接施加在回路中極小的寄生電阻上，產(chǎn)生遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值的巨大持續(xù)電流。該電流集中流經(jīng)連接芯片與外部引腳的內(nèi)部金屬線(xiàn)。這些金屬線(xiàn)截面積很小，巨大的電流會(huì)使它們急劇發(fā)熱，最終熔斷，從而導(dǎo)致芯片與外部引腳之間的電氣連接斷開(kāi)，呈現(xiàn)出最終的開(kāi)路狀態(tài)。

關(guān)鍵設(shè)計(jì)考量與預(yù)防方向

為避免此類(lèi)損壞，需要在電路設(shè)計(jì)和器件選擇中系統(tǒng)地控制MOSFET承受的壓力：

• 電壓壓力抑制：必須準(zhǔn)確評(píng)估并抑制MOSFET關(guān)斷時(shí)在其兩端產(chǎn)生的電壓尖峰。這涉及優(yōu)化變壓器設(shè)計(jì)以減少漏磁干擾，并在MOSFET兩端設(shè)置有效的吸收高壓尖峰的緩沖電路，以限制電壓并消耗多余能量。所選MOSFET的額定耐壓值必須留有足夠余量，要能覆蓋正常輸入電壓、反射電壓與尖峰電壓的總和。

• 電流與熱管理：確保MOSFET的電流承受能力（包括瞬時(shí)電流）能滿(mǎn)足最?lèi)毫庸ぷ鳁l件下的需求。精確計(jì)算其工作時(shí)的損耗，并基于此和器件的散熱參數(shù)，通過(guò)有效的散熱設(shè)計(jì)將芯片內(nèi)部的工作溫度嚴(yán)格控制在安全范圍內(nèi)。高溫是加速所有損壞過(guò)程的共同因素。

• 驅(qū)動(dòng)與布局優(yōu)化：提供干凈、穩(wěn)定且驅(qū)動(dòng)能力足夠的控制信號(hào)，以避免開(kāi)關(guān)過(guò)程緩慢或產(chǎn)生振蕩。電路板布局應(yīng)極力優(yōu)化，使主功率電流的回路面積最小，以降低雜散電感；控制信號(hào)走線(xiàn)應(yīng)遠(yuǎn)離高壓高速開(kāi)關(guān)的節(jié)點(diǎn)，防止受到干擾。

• 保護(hù)機(jī)制集成：在系統(tǒng)層面集成可靠的保護(hù)電路，如過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)及過(guò)熱保護(hù)。這些保護(hù)功能應(yīng)能在檢測(cè)到異常時(shí)快速關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而在芯片發(fā)生初始短路前切斷應(yīng)力路徑，防止故障擴(kuò)大至燒斷內(nèi)部連接線(xiàn)的階段。

總結(jié)

MOSFET在升壓電路中先短路后開(kāi)路的故障，本質(zhì)上是電氣過(guò)載擊穿芯片后，后續(xù)大電流熔斷內(nèi)部連接線(xiàn)的結(jié)果。根本的預(yù)防措施在于通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)、充分的器件參數(shù)余量以及優(yōu)化的電路板布局，確保MOSFET在所有預(yù)期和異常情況下所承受的電、熱壓力均處于其安全工作的絕對(duì)限度之內(nèi)。系統(tǒng)的保護(hù)功能是阻止局部損壞演變?yōu)橥耆_(kāi)路的最后保障。深入理解這一損壞順序，對(duì)于提升開(kāi)關(guān)電源類(lèi)產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性具有普遍的指導(dǎo)意義。合科泰不僅提供高質(zhì)量的MOSFET產(chǎn)品，還為客戶(hù)提供全面的技術(shù)支持。

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