智能美颜化妆镜灯带控制电路设计-化妆镜带灯电路板

智能美颜化妆镜灯带控制电路设计-化妆镜带灯电路板

公司做了一个智能美颜化妆镜项目，需要设计一个灯带控制电路，CPU根据不同场景智能调节灯带亮度。本文记录了一下电路设计思路和实际调试效果。

灯带：12V供电，LED灯3串20并。

方案一：用PWM信号控制S8050 NPN型三极管，从来规格书上面来看，参数是可以满足要求

实际测试发现在最亮和最暗的时候S8050发热还可以接受，但是在40%亮度的时候发热比较严重，用两个S8050并联发现发热集中在一个三极管上面。说明此方案有明显缺陷，不能使用。

方案二：用P-MOS做控制开关,选择散热封装好的MOSFET器件，达到客户的要求；设计方案如下

1 VDS的选择

电源应用中首先考虑漏源电压VDS的选择。原则为MOSFET实际工作环境中的最大漏源极间的电压小于器件的额定的50%。即：VDS_Max≤50%*VDS

2 ID的选择

其次考虑漏极电流的选择。基本原则为 MOSFET 实际工作环境中的最大周期漏极电流不大于规格书中标称最大漏源电流的 50% ；漏极脉冲电流峰值不大于规格书中标称漏极脉冲电流峰值的 50% 即：

ID_max ≤ 20-30% * ID

ID_pulse ≤ 20-30% * IDP

参数如下：

3驱动电压的选择

MOSFEF的驱动要求由其栅极总充电电量（ Qg ）参数决定。在满足其它参数要求的情况下，Qg值越小越好。驱动电压选择在保证远离最大栅源电压（ VGSS ）前提下使RDS(on)尽量小的电压值（一般使用器件规格书中的建议值）

参数如下：

4 器件温升参数的选择

小的 RDS(on) 值有利于减小导通期间损耗，小的VGS(th)值可减小温度差（同样耗散功率条件下），故有利于散热。

参数如下：

5 器件功耗的计算

MOSFET 损耗计算主要包含如下 8 个部分：

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

详细计算公式应根据具体电路及工作条件而定。例如在同步整流的应用场合，还要考虑体内二极管正向导通期间的损耗和转向截止时的反向恢复损耗。损耗计算可参考下文的“MOS管损耗的8个组成部分”部分。

参数如下：

6 器件工作环境温度估算

器件稳态损耗功率PDmax应以器件最大工作结温度限制作为考量依据。如能够预先知道器件工作环境温度，则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是器件结点到其工作环境之间的总热阻,包括 Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance等。如其间还有绝缘材料还须将其热阻考虑进去。所以需要在必要的时候考虑增加硅胶和散热片，更需要注意的一点就是器件本体的散热PAD需要在主板上面处理好。

7 控制信号的频率估算

MOS是由一个PWM信号控制，估需要先评估MOSFET能接受的最大频率是多少？

从相关参数来看1M是没有问题的。

MOS管损耗的8个组成部分

在器件设计选择过程中需要对 MOSFET 的工作过程损耗进行先期计算，以便对器件有个大概的功耗认识。

MOSFET 的工作损耗基本可分为如下几部分：

1 导通功耗Pon

导通损耗,指在 MOSFET 完全开启后负载电流（即漏源电流）IDS(on)(t)在导通电阻RDS(on)上产生的功耗。

导通损耗计算

先通过计算得到IDS(on)(t)函数表达式并算出其有效值IDS(on)rms，再通过如下电阻损耗计算式计算：

Pon=IDS(on)rms2 ×RDS(on)×K× Don

说明

计算IDS(on)rms时使用的时期仅是导通时间Ton，而不是整个工作周期 Ts ；RDS(on)会随IDS(on)(t)值和器件结点温度不同而有所不同，此时的原则是根据规格书查找尽量靠近预计工作条件下的RDS(on)值（即乘以规格书提供的一个温度系数 K）。

2 截止损耗Poff

截止损耗，指在MOSFET完全截止后在漏源电压VDS(off)应力下产生的漏电流IDSS造成的损耗。

截止损耗计算

先通过计算得到MOSFET截止时所承受的漏源电压VDS(off)，在查找器件规格书提供之IDSS，再通过如下公式计算：

Poff=VDS(off)×IDSS × 1-Don ）

说明

IDSS会依 VDS(off)变化而变化，而规格书提供的此值是在一近似V(BR)DSS条件下的参数。如计算得到的漏源电压VDS(off)很大以至接近V(BR)DSS则可直接引用此值，如很小，则可取零值，即忽略此项。

3开启过程损耗

开启过程损耗，指在 MOSFET 开启过程中逐渐下降的漏源电压 VDS(off_on)(t) 与逐渐上升的负载电流（即漏源电流） IDS(off_on)(t) 交叉重叠部分造成的损耗。

开启过程损耗计算

开启过程 VDS(off_on)(t) 与 IDS(off_on)(t) 交叉波形如上图所示。首先须计算或预计得到开启时刻前之 VDS(off_end) 、开启完成后的 IDS(on_beginning)，以及 VDS(off_on)(t) 与 IDS(off_on)(t) 重叠时间 Tx 。然后再通过如下公式计算：

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

实际计算中主要有两种假设 — 图 (A) 那种假设认为 VDS(off_on)(t) 的开始下降与 ID(off_on)(t) 的逐渐上升同时发生；图 (B) 那种假设认为 VDS(off_on)(t) 的下降是从 ID(off_on)(t) 上升到最大值后才开始。图 (C) 是 FLYBACK 架构路中一 MOSFET 实际测试到的波形，其更接近于 (A) 类假设。针对这两种假设延伸出两种计算公式：

(A) 类假设 Poff_on=1/6 × VDS(off_end) × Ip1 × tr × fs

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

(B) 类假设可作为最恶劣模式的计算值。

说明：

图 (C) 的实际测试到波形可以看到开启完成后的 IDS(on_beginning)>>Ip1 （电源使用中 Ip1 参数往往是激磁电流的 初始值）。叠加的电流波峰确切数值我们难以预计得到，其 跟电路架构和器件参数有关。例如 FLYBACK 中 实际电流应 是 Itotal=Idp1+Ia+Ib (Ia 为次级端整流二极管的反向恢 复电流感应回初极的电流值 -- 即乘以匝比， Ib 为变压器 初级侧绕组层间寄生电容在 MOSFET 开关开通瞬间释放的 电流 ) 。这个难以预计的数值也是造成此部分计算误差的 主要原因之一。

4 关断损耗

关断过程损耗。指在 MOSFET 关断过程中 逐渐上升的漏源电压VDS(on_off) (t)与逐渐下降的漏源电流IDS(on_off)(t)的交叉重叠部分造成的损耗。

关断过程损耗计算

如上图所示，此部分损耗计算原理及方法跟 Poff_on类似。首先须计算或预计得到关断完成后之漏源电压VDS(off_beginning)、关断时刻前的负载电流IDS(on_end)即图示之 Ip2 以及VDS(on_off) (t)与IDS(on_off)(t)重叠时间 Tx 。然后再通过 如下公式计算：

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

实际计算中，针对这两种假设延伸出两个计算公式：

(A) 类假设 Poff_on=1/6×VDS(off_beginning)×Ip2×tf×fs

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

(B) 类假设可作为最恶劣模式的计算值。

说明：

IDS(on_end) =Ip2，电源使用中这一参数往往是激磁电流的末端值。因漏感等因素， MOSFET 在关断完成后之VDS(off_beginning)往往都有一个很大的电压尖峰Vspike叠加其上，此值可大致按经验估算。

5 驱动损耗Pgs

驱动损耗，指栅极接受驱动电源进行驱动造成之损耗

驱动损耗的计算

确定驱动电源电压Vgs后，可通过如下公式进行计算：

Pgs=Vgs×Qg×fs

说明

Qg为总驱动电量，可通过器件规格书查找得到。

6 Coss电容的泄放损耗Pds

Coss电容的泄放损耗,指MOS输出电容 Coss 截止期间储蓄的电场能于导同期间在漏源极上的泄放损耗。

Coss电容的泄放损耗计算

首先须计算或预计得到开启时刻前之VDS，再通过如下公式进行计算：

Pds=1/2×VDS(off_end)2× Coss × fs

说明

Coss为 MOSFET 输出电容，一般可等于 Cds ，此值可通过器件规格书查找得到。

7 体内寄生二极管正向导通损耗Pd_f

体内寄生二极管正向导通损耗,指MOS体内寄生二极管在承载正向电流时因正向压降造成的损耗。

体内寄生二极管正向导通损耗计算

在一些利用体内寄生二极管进行载流的应用中（例如同步整流），需要对此部分之损耗进行计算。公式如下：

Pd_f =IF ×VDF ×tx ×fs

其中： IF 为二极管承载的电流量， VDF 为二极管正向导通压降， tx 为一周期内二极管承载电流的时间。

说明

会因器件结温及承载的电流大小不同而不同。可根据实际应用环境在其规格书上查找到尽量接近之数值。

8 体内寄生二极管反向恢复损耗Pd_recover

体内寄生二极管反向恢复损耗，指MOS体内寄生二极管在承载正向电流后因反向压致使的反向恢复造成的损耗。

体内寄生二极管反向恢复损耗计算

这一损耗原理及计算方法与普通二极管的反向恢复损耗一样。公式如下：

Pd_recover=VDR × Qrr × fs

其中： VDR 为二极管反向压降， Qrr 为二极管反向恢复电量，由器件提供之规格书中查找而得。

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