在低功耗系统中MOS管的应用

miraclever · 发表于 2012-8-8 17:00:55

本帖最后由 miraclever 于 2012-8-8 17:12 编辑

又是一个关于低功耗应用中的案例，这次是关于mos管的特性引发的一个小问题，呵呵，我比较喜欢将问题分析过程也发上来供大家参考，授人以渔不如授人以渔，我将整个过程分享给大家是希望大家能够从中找到适合自己的知识点，同时也不是直接告诉你不能这样用，不能那样用，我写的类似一个小故事，大家耐心的看完就好像自己做了一次这样的实验一样，这样能够加深印象，避免再次走弯路，同时一个好的工程师不应该是首先要有足够的耐心吗？:)

这个案例跟上次我发的那个（关于低功耗设计的一个案例）一样，同样是应用在低功耗产品上出现的问题，只是关于这个现象（姑且这样叫，因为不是故障）大家要注意了，这个是mos管的一个特性，在特定的环境下会引发一些特殊的故障。
描述如下：按客户要求设计一款可以待机90天的终端产品，这真是有点强人所难啊，同样也是由于终端外壳的体积限制无法使用大容量的电池，最终选用了3.7V 2400mah的一款锂电，由于此款终端客户要求24小时激活一次，正常工作10分钟，通过计算得知该款终端在休眠时电流必须在100ua一下，才能达到要求，经过长时间的研究和论证得出硬件方案，理论上在深度休眠时终端电流可下降至50ua左右，满足客户要求，于是按正常流程走：原理图-PCB-样机，样机出来后，经过测试排除一些设计上小bug（飞了n跳线，哈哈）基本上正常工作了，休眠电流在43ua，一次成功，非常兴奋，对自己的佩服简直是犹如滔滔江水连绵不绝啊，哈哈，但是，“首次打板样机100%不可能一次成功定律”发挥了威力，样机在进行高温（+75度）时出现了意外情况，测试人员反应，在高温想加热到75度时，终端无法进入深度休眠，具体表现为10分钟重启一次，拿到常温行冷却一会就好了，听到这个消息第一反应就是肯定有元器件虚焊了，在高温下焊点开裂，常温下焊点又闭合，因为是手焊接的样板这种现象一点也不奇怪，于是把相关深度休眠的电路部分重新用烙铁焊一遍，再次放进高温箱进行测试，结果现象依旧，看来不是虚焊的问题，介于这种故障现象还有一种可能就是某元器件的热稳定性不好，在高温下失效，于是就用热风枪对着相关电路挨个吹，同时进行电流电压监控，果然，在机器进入休眠时，随着热风枪的温度升高的不断升高，深度休眠开关Q10漏流逐渐加大，到了70度左右，该开关失效，如上图所示，硬件工程师在设计电路时由于考虑到低功耗，所以使用的较多的场效应管，由于MOS的特性，随着温度的升高其漏流会增加，随着Q10漏电流的增加在R22上面产生的压降就越大（由于MOS管属于电压控制器件其内阻很大，可忽略不计），于是Q11这个低功耗主要控制器件就从截至状态慢慢的进入到了饱和导通状态，于是将原Q11更换为普通的NPN三极管故障排除（Q10漏电流不足导通三极管）。

福利时间

：

MRT1040DLT 3.0V-5.25V超宽电压输入CAN总线隔离模块

猛击这里下载数据手册

MRT485DLT 3.0V-5.25V超宽电压输入485总线隔离模块

猛击这里下载数据文档

MRT232DLT 3.0V-5.25V超宽电压输入232总线隔离模块

猛击这里下载数据文档

seazhui · 发表于 2012-8-8 22:42:01

本帖最后由 seazhui 于 2012-8-8 22:43 编辑

写的很好，虽然还没有工作，但是这种经验如果不知道的话，都是需要以后自己被折磨出来的。。。。感谢～～
请教一下三级管和mos管的差别？
在教科书上看到（《微电子学（上）》），说是三极管比较老，而mos管性能比较好，是未来的发展方向。
但是我们在平时的时候使用的普遍都是三极管？
请教一下为什么？

miraclever · 发表于 2012-8-8 23:19:46

seazhui 发表于 2012-8-8 22:42
写的很好，虽然还没有工作，但是这种经验如果不知道的话，都是需要以后自己被折磨出来的。。。。感谢～～
...

在网上摘录一段两种管子的区别如下：

场效应管与三极管的比较

1．场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于三极管的发射极E、基极B、集电极C，它们的作用相似。

2．场效应管是电压控制电流器件，由VGS控制iD，其放大系数gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由iB（或iE）控制iC。驱动能力强。

3．场效应管栅极几乎不取电流（ig>>0）；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。

4．场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。

5．场效应管在源极未与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大， b
值将减小很多。

6．场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。

7．场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。

总起来说，在设计场效应管电路时需要考虑的更多，比如由于其输入阻抗高，就必须要考虑电路的抗干扰性能，正是因为输入阻抗太高所以小小的一点干扰即可造成mos管的一个动作，还有就是场效应管无法做到像三极管那么高的电压，当然现在的三极管和场效应管复合型器件IGBT已经能做到很高的电压了，mos管由于其特性比较适合做开关用，在低功耗产品中比三极管有优势。

miraclever · 发表于 2012-8-9 10:59:51

chengyabcd 发表于 2012-8-9 09:30
我感觉你的Q11的栅极下拉电阻太大了，改为一个较小的电阻就可以解决问题，同时，由于MOS管寄生电容的影响， ...

谢谢提醒，这个设计中mos管本身只是作为一个开关来使用，并且开关时间是非常非常长的，达到24小时，所以不存在寄生电容影响，此电阻的功能仅仅是下拉而已，关键是存在着高温下的漏电流的问题，如果采用了较小的下拉电阻那还是用三极管吧，再说这个设计本身也不是太严谨，用mos管来驱动mos管需要注意的问题很多。

jetlib · 发表于 2013-9-8 19:33:29

我觉得并不是温度升高、漏电流增大的原因。而是温度升高，阈值电压降低的原因。如果INT控制脚是3.3V，而漏极是4V，常温下MOS 0.7V的压差不足以开启MOS管。而温度升高时，0.7V的压差就足以使MOS管导通了。想测试真实的原因有两个方法：1：把4V变成3.3V，看温度升高是否还会导致饱和；2：把INT变成INPUT，然后温度升高看是否饱和。我觉得这两种改过之后的方法，温升都不会影响MOS管状态。MOS管的阈值对温度才比较敏感，漏电流对温度不太敏感。没用过你这个型号的MOS管，不过我看用过的一款IRF的MOS管特性曲线是这样的，也就是漏电流和温度没太大关系。

jetlib · 发表于 2013-9-9 09:30:34

本帖最后由 jetlib 于 2013-9-9 09:37 编辑

miraclever 发表于 2013-9-8 21:58
你可以做一下实验，我在加热的时候发现电压是逐渐升高的，与导通的阀值也许也有一定的关系，不过经过实际 ...

你的INT点电压是多少？如果INT是3.3V，而顶端电压是4V，那应该是由于温升导致阈值电压降低进而导致了MOS管开关失效，进而流过的电流自然就大了导致的。此时这个电流不是漏电流，而是因为阈值电压降低导致的电流自然开启导致的。另一个实验办法就是你可以把470K的电阻直接短路到地，然后升温，看Q11的漏电流是不是升高。按理说，Q11和Q10都是SP的同系列的MOS管，温度特性应该一致，所以Q11如果温度升高，漏电流也应该增大。但是Q11的G直接到地，不足以提供任何阈值电压。如果真的温升对漏电流有影响，那Q11温升后，漏电流一样会升高。但我比较怀疑此时温升后Q11的漏电流会增大。

其实你实验一下，程序上把INT改为INPUT，然后测试一下升温就OK了。我觉得把INT改为INPUT，温升是不会影响Q11的开关的。手头没有板子，我实在不好测试。一家之言，看有没有哪个大侠来给出进一步的解释吧。

miraclever · 发表于 2013-9-9 14:35:04

jetlib 发表于 2013-9-9 09:30
你的INT点电压是多少？如果INT是3.3V，而顶端电压是4V，那应该是由于温升导致阈值电压降低进而导致了MOS ...

INT处的电压也是4V的，此引脚是另外一个RTC电路提供的驱动，是由4V直接供电的。
你说的非常好，这个问题值得我们深究一下。

WoShiMaJia · 发表于 2012-8-8 17:24:27

感谢分享，确实是很好经验，让人印象深刻，在设计电路的时候遇到这样的问题，会想起这篇文章。

wxw123321 · 发表于 2012-8-8 20:11:45

经验之谈啊，以后设计电路得注意了哈 O(∩_∩)O谢谢分享

miraclever · 发表于 2012-8-8 22:24:20

写了那么多居然没有几个网友回复的，唉，看来是那么多的文字让人怕了，大概是没有几个人能耐心看完把

STM32_Study · 发表于 2012-8-8 22:33:37

感谢楼主分享宝贵经验

果断收藏

小奕 · 发表于 2012-8-8 22:41:40

谢谢分享经验，收益非浅…

seazhui · 发表于 2012-8-8 22:43:28

miraclever 发表于 2012-8-8 22:24
写了那么多居然没有几个网友回复的，唉，看来是那么多的文字让人怕了，大概是没有几个人能耐心看完把 ...

字不多啊～～～

ztg328 · 发表于 2012-8-8 23:24:49

mark, 好东西

shpan_111 · 发表于 2012-8-8 23:35:14

真是好帖子，没有实践很难想到。
同时想问下lz，为什么栅极要选择这么大的下拉电阻呢，选个小点的是不是就可以避免了。顺便给我们分析下这个电阻的选择方法吧。。。。

seazhui · 发表于 2012-8-8 23:43:59

miraclever 发表于 2012-8-8 23:19
在网上摘录一段两种管子的区别如下：

场效应管与三极管的比较

原来如此。
那该我们做的那个电子负载是用tip122的。。。

diaoxinfeixiang · 发表于 2012-8-8 23:58:36

请问为什么说漏电流不足以驱动三极管？另外漏电流能在电阻上产生多大压降啊？

bingxiin8 · 发表于 2012-8-9 00:17:12

很好的文章，收藏了。

shpan_111 · 发表于 2012-8-9 00:35:37

diaoxinfeixiang 发表于 2012-8-8 23:58
请问为什么说漏电流不足以驱动三极管？另外漏电流能在电阻上产生多大压降啊？ ...

因为三极管是电流驱动型，mos是电压驱动。漏电流还很小。但是下拉电阻470K，算出来电压就很可观了、、

726544893 · 发表于 2012-8-9 07:11:53

楼主写的很好啊，拜读了！

156397226 · 发表于 2012-8-9 08:23:57

为什么不不选择一个MOS管全部搞定呢

sunliezhi · 发表于 2012-8-9 08:35:35

读过，经验轰好。

ifus · 发表于 2012-8-9 08:50:10

确实是经验，通过实践才会发现课本讲的基础是很重要的！

usk5yenj4id04dm · 发表于 2012-8-9 09:06:56

学习........

xiaoliusheng · 发表于 2012-8-9 09:07:31

楼主分析的非常的到位，对各种元器件的理解也非常深刻........文采也不错....

miraclever · 发表于 2012-8-9 09:12:55

156397226 发表于 2012-8-9 08:23
为什么不不选择一个MOS管全部搞定呢

一个mos管无法全部搞定，所以才选用两个。

miraclever · 发表于 2012-8-9 09:15:34

shpan_111 发表于 2012-8-8 23:35
真是好帖子，没有实践很难想到。
同时想问下lz，为什么栅极要选择这么大的下拉电阻呢，选个小点的是不是就 ...

其实我也想过采用更小的下拉电阻，这个下拉电阻在这里的作用是防止干扰信号造成mos的误动作，如果选用了小的下拉电阻，那跟三极管又有什么区别呢？
所以在修改电路中，果断去掉mos管用三极管代替。

wudision · 发表于 2012-8-9 09:20:53

谢谢很不错的谢谢楼主

qaya · 发表于 2012-8-9 09:26:50

好文章看了很有启发

chengyabcd · 发表于 2012-8-9 09:30:58

我感觉你的Q11的栅极下拉电阻太大了，改为一个较小的电阻就可以解决问题，同时，由于MOS管寄生电容的影响，栅极下拉电阻也应该小一些，这样可以减小关短时间。

dadongleilei · 发表于 2012-8-9 09:39:04

这是非常有价值的经验谢谢楼主

ndt2000 · 发表于 2012-8-9 09:54:46

经验积累，学习

HZKJ · 发表于 2012-8-9 10:30:43

很好的设计、实验经验。。。祝楼主生意兴隆。。。

seawind319 · 发表于 2012-8-9 11:00:50

为什么不在Q10的控制脚加个上拉电阻，保证Q10的开关的稳定性呢，是不是这种情况引起的

gongxd · 发表于 2012-8-9 13:17:16

写的很好

miraclever · 发表于 2012-8-9 14:19:17

seawind319 发表于 2012-8-9 11:00
为什么不在Q10的控制脚加个上拉电阻，保证Q10的开关的稳定性呢，是不是这种情况引起的 ...

Q10的控制引脚不存在悬空状态，要么是低电平，要么是高电平，所以不需要下拉。

zhangyb · 发表于 2012-8-9 14:50:02

学习了，对这个了解很少！！

haizaolan · 发表于 2012-8-9 17:18:48

精彩啊，学习！

armok · 发表于 2012-8-10 14:12:09

COOL !

zhangdawei · 发表于 2012-8-10 15:12:54

LZ 您好我是做WiFi模块的但是模块本身功耗比较大 200MA左右工作时模块发热量很大有时都有点烫手听说多点供电能够解决模块发热的问题不知道LZ对多点供电有没有研究希望LZ能够指导不胜感激

YUZH282 · 发表于 2012-8-10 15:36:31

就你打这么多字出来,一定得顶,好经验分享.

heart080811126 · 发表于 2012-8-14 22:12:21

谢谢楼主的经验之谈！！！

wanglivehuo · 发表于 2012-8-14 22:58:08

G00D!!!000

dingshidong214 · 发表于 2012-8-15 14:50:27

硬件电路设计的好贴，虽没遇到过。

lkl10800139 · 发表于 2012-8-15 20:01:15

楼主用的mcu是stm32吗？能否分享下软件设计经验

电子设计爱好者 · 发表于 2012-8-15 23:24:33

好贴啊，有福了

miraclever · 发表于 2012-8-16 09:47:31

lkl10800139 发表于 2012-8-15 20:01
楼主用的mcu是stm32吗？能否分享下软件设计经验

我用的是STM32，但是软件不是我写的，有专门的软件工程师，我只负责硬件，

。

ding1980 · 发表于 2012-8-19 18:38:25

没有用过，不过学习了，我之前好用三极管驱动场效应，呵呵。

sdfd · 发表于 2012-8-19 19:09:05

如果Q11需带很大的负载，三极管自身的功耗就比较大了，这种情况还是减小R22好点吧。

kevinchen026 · 发表于 2012-8-20 09:40:25

看完了.学习

lichuang是好人 · 发表于 2012-8-20 22:32:42

此文寥寥数字，可是却表达着一个研发工程师的感悟，支持一下

grandthree · 发表于 2012-8-21 10:27:01

回帖收藏感谢楼主

chuy · 发表于 2012-10-15 09:25:06

值得学习，谢谢分享

苹果520 · 发表于 2012-10-15 09:46:53

值得学习，多谢分享啦，~~~~~~~~~~~~~~~~~

49547754 · 发表于 2012-10-15 09:50:42

哈哈，收藏了

5IDIANZI · 发表于 2012-10-15 10:11:35

是不是把470K那只电阻改成负温度系数的热敏电阻就可以了。也许可以用一个三极管的c,e两脚代替

WZW · 发表于 2012-10-15 10:44:47

很不错，学习了，特别是检测问题的过程值得学习思考，MOS管用得不多，这个还是受益了

WZW · 发表于 2012-10-15 10:46:40

shpan_111 发表于 2012-8-8 23:35
真是好帖子，没有实践很难想到。
同时想问下lz，为什么栅极要选择这么大的下拉电阻呢，选个小点的是不是就 ...

应该就是为低功耗的要求吧

weahdeng · 发表于 2012-10-15 11:20:17

经验之谈，好贴

x2816960 · 发表于 2012-10-16 00:01:32

感谢，很好的经验啊。

njchenmin · 发表于 2012-10-16 05:51:50

这个不错，以前没有注意这个问题

283868130 · 发表于 2012-10-16 08:20:17

按照LZ的描述，高温下Q10的漏电流应该介于临界点附近，
可以考虑在Q11的控制端串入二极管降压，跳开临界点

或者在Q11输入端进行施密特整形，
值得一试！

zyw19987 · 发表于 2012-10-16 09:03:42

低功耗有问题找楼主

lyg407 · 发表于 2012-10-16 09:54:54

真正学到东西的就是像这样的帖子，字数越多越好，因为都是经验之谈。学习了，支持！谢谢楼主分享。

xiaochu312 · 发表于 2012-10-16 11:21:07

好经验，谢谢LZ分享

jackmony · 发表于 2012-10-16 13:09:49

强大的文章，学习了。

jhxmzx · 发表于 2012-10-16 13:25:47

学习了，顶楼主

miraclever · 发表于 2012-10-16 13:37:08

我的另外一个帖子 “关于在电子产品设计中的通信接口设计”相信也能帮助大家。

zhangge827 · 发表于 2012-10-16 17:10:11

顶一个，不错的帖

JAX · 发表于 2012-10-16 17:23:30

分析很到位

zzfei90 · 发表于 2012-10-16 18:00:37

不错，学习一下　谢谢ＬＺ

liupeng08305 · 发表于 2012-10-16 20:19:18

学习了，同问问什么不把下拉电阻直接改小点啊？？

chengying · 发表于 2012-11-15 10:58:04

不错，学习学习

cdlxzlp · 发表于 2012-11-15 12:39:33

好好好不错

hnxiaozi · 发表于 2012-11-15 17:49:50

感谢楼主分享宝贵经验

想不到 · 发表于 2012-11-15 20:09:39

MARK

lncwangfeilnc · 发表于 2012-11-15 22:18:54

感谢楼主

Wxy8030 · 发表于 2012-11-15 22:22:48

这么经验总结帖确实值得好好看！

lsr0304 · 发表于 2012-11-15 22:37:17

之前一款产品也遇到类似问题，不过未怀疑到MOS管的漏电流；需要回头去研究下，多谢楼主。

蝉乐 · 发表于 2012-11-15 22:51:37

果断顶.....

ztg328 · 发表于 2012-11-16 00:04:03

mark 分析的很好

szxszx · 发表于 2012-11-16 08:26:43

由于MOS的特性，随着温度的升高其漏流会增加
好经验分享，谢谢。

fromdream · 发表于 2012-11-16 09:12:50

好赞的帖，谢谢分享

weiwst · 发表于 2012-12-30 17:03:07

miraclever 发表于 2012-8-8 22:24
写了那么多居然没有几个网友回复的，唉，看来是那么多的文字让人怕了，大概是没有几个人能耐心看完把 ...

就这么多的字，也不至于吓到人啊。

如果让看到我的电路调试总结，不知会不会真的把人吓死或者烦死。嘿嘿

。
新手一个，就不拿自己的简单的东西丢人了。。。。。

落叶随风 · 发表于 2012-12-30 20:26:54

非常感谢楼主分享那么宝贵的经验

w492901074 · 发表于 2012-12-30 23:29:17

让人影响深刻的小故事，顶

楼主

xgang1989 · 发表于 2013-1-8 12:45:17

MARK下！！！不错的经验贴。

guowanling8061 · 发表于 2013-1-8 14:48:22

总结：采用MOS管设计时，要考虑MOS管的特性：“随着温度的升高其漏流会增加”！！鉴定完毕！！

maxims · 发表于 2013-1-8 15:11:29

谢谢！我也打算在自己的diy中用mos

miraclever · 发表于 2013-1-8 15:55:09

guowanling8061 发表于 2013-1-8 14:48
总结：采用MOS管设计时，要考虑MOS管的特性：“随着温度的升高其漏流会增加”！！鉴定完毕！！ ...

你总结的很好，但是发现这个特性造成的影响比较曲折，希望每一个人都能分享自己的心得，大家共同进步。

guowanling8061 · 发表于 2013-1-8 16:21:05

miraclever 发表于 2013-1-8 15:55
你总结的很好，但是发现这个特性造成的影响比较曲折，希望每一个人都能分享自己的心得，大家共同进步。 ...

是啊！经验都是曲折中得到的！希望大家能和你一样把自己设计经验拿来共享！

skyxjh · 发表于 2013-1-8 20:24:10

经验之谈，高低温性能测试，MOS管高温漏电增大，导致电路逻辑异常。

lijg8421 · 发表于 2013-1-9 10:09:13

比较不错，值得收藏！

Andrewz · 发表于 2013-1-9 12:59:22

好文章，顶一下。

caihuij · 发表于 2013-4-16 18:52:09

好贴啊，果断顶下。。。。。。。。。。。。。。。

leirui001 · 发表于 2013-4-16 19:26:06

真心不错，受教了

bwb0518 · 发表于 2013-4-16 20:04:23

每次来都能学到知识

32446975 · 发表于 2013-4-16 22:21:43

很好的经验分享！

Privia · 发表于 2013-4-17 18:14:09

感谢LZ分享经验

LVmcu · 发表于 2013-6-29 13:59:23

谢谢啦，收藏备用！！！

YS126 · 发表于 2013-7-6 22:40:46

楼主的好帖～

const_J · 发表于 2013-7-6 23:08:49

谢谢分享。楼主把自己出问题的是排查方法分享给大家，这一点很赞赏！

nanning2011 · 发表于 2013-7-7 08:38:43

感谢分享，确实是很好经验，让人印象深刻

在低功耗系统中MOS管的应用

本帖子中包含更多资源

阿莫论坛20周年了！感谢大家的支持与爱护！！