Problema de conmutación del MOSFET del canal P

Question

Estaba intentando construir una matriz de LEDs 16x9 con una MCU con una cantidad limitada de pines. Los ánodos de los LEDs son impulsados por MOSFETs de canal P cuyas puertas son impulsadas por un registro de cambio de 8 bits 74HC595. los cátodos de los LEDs son hundidos por el TLC5940 LED PWM driver IC. El circuito alrededor de los MOSFETs tiene el siguiente aspecto:

La Fuente está conectada a 5 V y la Puerta se tira hasta 5 V a través de la resistencia de 1 kΩ. El drenaje se conecta a los ánodos de 16 LEDs en paralelo y la puerta al 74HC595. Ahora mi observación en un analizador lógico (así como en un osciloscopio):

El canal rojo es sólo la alimentación constante de 5 V en la fuente. El canal marrón es la señal de conmutación procedente del 74HC595 y el canal negro la tensión en el drenaje. ¿No se supone que el MOSFET se apaga inmediatamente después de que la puerta vuelva a subir? El retardo de apagado se describe como unos 80 ns que se pasan claramente en la salida del analizador lógico. ¿Es este el comportamiento esperado o estoy haciendo algo mal? Dado que el TLC5940 sólo puede hundir la corriente en los cátodos de los LEDs no pude evitar la conmutación del lado alto, pero tenía la impresión de que este circuito debería funcionar...

EDITAR:

Después de tener por fin algo de tiempo, he recreado una versión más sencilla del circuito y lo he probado en una placa de prototipos con un Arduino para aislar el problema. Este es mi esquema, las redes no conectadas se conectan a los pines de control del Arduino:

Como MOSFETs de canal p he probado ambos, el FQP27P06 y el IRF9540N que tienen especificaciones similares. Mis lecturas fueron en ambos casos casi las mismas:

Vemos que el MOSFET sólo debe conducir durante 0,27 ms según la lectura de la puerta, pero permanece durante otros 0,86 ms, lo que realmente perjudica a mi aplicación cuando las 9 filas de leds están conectadas al final. Esto causó problemas, porque una columna con todos los 16 LEDs encendidos estaba consumiendo 320mA. Con este comportamiento en todos los MOSFETs y todos los LEDs activados en mi matriz, 3-4 MOSFETs estaban conduciendo al mismo tiempo lo que al menos triplicaba el consumo de corriente y como mi placa no estaba especificada para esto el voltaje se frenaba y la MCU terminaba deteniéndose. Además, mi paquete del TLC5940 no estaba dimensionado para la cantidad de disipación de calor y ocasionalmente entraba en el modo de error de temperatura. ¿Alguien tiene una idea de por qué puede ocurrir este problema? ¡Toda respuesta es muy apreciada!

Answer 1

Intenta añadir resistencias pull-down a los pines de drenaje de los MOSFETs. Las formas de onda que muestras son las clásicas curvas de descarga capacitiva causadas por cargas de alta impedancia.

Como los pines de la fuente de tu FET están a 5 Vdc, prueba con resistencias de 1k desde los drenajes a tierra.

Answer 2

Has entendido mal algo crucial y no se trata de tu circuito, sino de tu lectura de la hoja de datos. El IRF9540 dice:

Ahora está claro que el Tiempo de Otoño "prometido" es de hecho 51ns. Pero hay que prestar atención a las condiciones:

• VDD = -50V
• ID = -11A

Esto significa que el tiempo de caída "prometido" no va a ser de 51ns, o al menos no con tu alimentación de 5v. Esta es la raíz del problema.

Si todavía no me crees, comprueba lo siguiente, he hecho algunas pruebas:

Esta es la respuesta del circuito con VDD = 5v. ¡El tiempo de caída resultante es de 4ms!

Esta es la respuesta del circuito con VDD = 12v. Aquí el tiempo de caída resultante es de 2,5ms. En realidad es menor porque nos acercamos a los valores de prueba (por ejemplo, VDD=50v).

Me gustaría probar esto con VDD = 50v pero no tengo las herramientas ahora mismo.

Conclusión:

Lea la hoja de datos y tenga cuidado la próxima vez. Prometen algunas cosas pero hay que leer entre líneas.

Answer 3

Creo que no hay nada malo en el diseño. Algo falla en el circuito físico. Tres candidatos principales vienen a la mente:

1. El MOSFET está mal
2. El TLC5940 y el subcircuito del LED tienen algún fallo que provoca un acoplamiento no deseado en el terminal de drenaje.
3. Algún otro acoplamiento involuntario al terminal de drenaje en el circuito

Has probado con varios MOSFETS y has obtenido el mismo resultado, así que parece poco probable. Pero puedes hacer algunas pruebas para concretarlo y apuntar hacia el verdadero culpable:

1. Sustituye el MOSFET por un interruptor físico y mira si obtienes el mismo resultado. Obviamente eso exoneraría completamente al MOSFET y mostraría que algo más está mal.
2. Si tienes el mismo comportamiento extraño con el interruptor, sustituye el TLC5940, o quizás desconecta todos los LEDs menos uno de ellos para cortar la mayoría de las posibles conexiones defectuosas al terminal de drenaje. Quizás el TLC5940 y un LED tengan algún fallo que esté proporcionando este acoplamiento.

Sabes que si trabajas para tener un interruptor conectado a una sola combinación de LED/resistencia, tiene que funcionar en algún lugar de ese camino. Así que la idea es trabajar hacia eso e identificar lo que está fallando. Tal vez tu placa de circuito tiene un defecto y te está dando algún tipo de acoplamiento al terminal de drenaje, en cuyo caso incluso el interruptor que alimenta una combinación de LED/resistencia podría mostrar ese comportamiento.

Answer 4

Vaya. Un montón de respuestas a esta pregunta. Este es un problema simple con una respuesta simple.

El MOSFET no se apaga muy lentamente.

Esas formas de onda están midiendo la tensión relativa a tierra , concretamente la tensión en el drenaje del MOSFET.

Los LEDs siguen siendo diodos. Tienen una capacitancia intrínseca y una caída de tensión no lineal. Y los MOSFET tienen, de hecho, capacitancias. Una de ellas es la capacitancia de salida, que es efectivamente un condensador a través del drenaje y la fuente. Debe descargarse a través de estos diodos, y esa descarga será exponencialmente más lenta (exactamente como vemos en los gráficos de la tensión). Así que por supuesto el voltaje en el drenaje decae lentamente. Sólo estás viendo la curva de caída de voltaje esperada para la capacitancia de salida del MOSFET que es forzada a descargarse a través de la fuga sub umbral de los diodos. La capacitancia está en cientos de picofaradios, pero esta corriente de descarga es del orden de los nanoamperios. Siempre que el voltaje de accionamiento esté cerca de la caída de voltaje de los diodos, esto se hace mucho más notable, mientras que a voltajes más altos, es menos, ya que el decaimiento no se ralentiza hasta un poco por debajo de la caída de voltaje de los diodos. Pero sigue estando ahí, sólo que es menos visible en un gráfico. Me gustaría señalar que con un voltaje de accionamiento de 5V, y para que no olvidemos que hay al menos una caída adicional de 0,6-1,2V debido al chip controlador del lado bajo (que no utiliza MOSFETs internamente, sino transistores bipolares) además de la posible caída de 3V-3,4V para los LEDs... eso no es mucho margen. Una caída de este tipo se notaría mucho más.

Y puedo demostrarlo. Si colocas una resistencia de carga en paralelo con los diodos a tierra, tal vez 10K, deberías ver que el voltaje decae mucho más rápido, ya que ahora tiene un camino resistivo lineal para descargarse y no el comportamiento exponencial de las uniones PN.

Lo que quiero decir es que el MOSFET es apagando. La caída de tensión es normal, esperada y no está relacionada con los otros problemas que tiene. También es fácil. Mida la corriente. Mida la corriente en serie con el drenaje o la fuente del MOSFET. Medir la tensión en el drenaje es no es una forma correcta de determinar el apagado en este circuito . Medir la corriente es la forma correcta de determinar si el MOSFET se apaga o no. Y estoy seguro de que se está apagando tan rápido como cabría esperar.

Y, por supuesto, si el MOSFET se apagara realmente con la misma lentitud con la que decae la tensión en el nodo medido, entonces por qué podemos ver esto:

Los reguladores de voltaje no dan un pico a su voltaje de salida de esa manera si la carga está decayendo como el voltaje medido. La única manera de ver un pico repentino en el voltaje de la fuente de alimentación como ese es si el regulador experimentó un paso repentino de la carga de gran consumo de corriente a casi ningún consumo de corriente. No puede reaccionar instantáneamente, por lo que hay un breve período en el que el voltaje se sale de la regulación, específicamente por ser más alto de lo que se supone que debe ser, antes de que pueda volver a regular la salida. Esto requiere un paso de carga grande y rápido.

Un paso de carga que no podía ocurrir si el MOSFET no se apagaba como debía. Uno que ciertamente no podría ocurrir si se estaba apagando tan lentamente como el método incorrecto que se está utilizando para determinar que (tensión) nos quieren hacer creer.

Hay un paso de carga de este tipo en el carril de tensión, lo que significa que el MOSFET es, de hecho, apagar y ligeramente más rápido que ese pico de tensión en los carriles de alimentación se produce.

Mide la corriente. Verás que la corriente cae tan rápido como esperabas.

Answer 5

Los enlaces a las hojas de datos SIEMPRE son una buena idea.

• MOSFET F9540

• 74HC595

C _en puerta alrededor de 1400 pF dependiendo de sus condiciones.
R _pullup 1 kΩ

La constante de tiempo en la puerta es T = RC = 1000 x 1400 E -12
\= 1,4 µS

Usted está viendo un mucho más tiempo de cierre de la puerta que eso. Estás seguro de que el 1 kΩ no es un 100 kΩ o algo así?

En su defecto, no tiene mucho sentido.
Busca algo sin sentido :-)

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Añadido:

... como se puede ver en el canal marrón del analizador lógico, la tensión de puerta se comporta como se espera. Es el voltaje de drenaje que me da este comportamiento extraño. También verifiqué la resistencia y probé con un rango de otras resistencias (1k, 10k, 100k...)... el mismo comportamiento.

¿Hay alguna línea de selección o dirección no utilizada en el HC595 que esté flotando cuando debería estar en alto o en bajo? Eso explicaría un comportamiento como éste, o también un comportamiento aleatorio en otros casos.

Aquí la línea de flotación puede seguir alguna fuente (línea de selección o ...) a través de la fuga (en el CI o externa) con una larga constante de tiempo debido a la capacitancia del pin y v alta resistencia de fuga o corriente de polarización.

Esta es una clase de comportamiento muy común con una clavija flotante.