MOSFETの発熱

質問

回路設計初心者です。
スイッチングレギュレータについて教えてください。
下記のような電源構成の基板のデバッグをしています。
外部から24Vをもらい、基板の中でまず5Vを生成し(降圧電源）
その5Vから12Vを生成（昇圧電源）しています。
(外部からの入力電源範囲が10.9～30Vに対応する必要があるため)

で、12Vに負荷をかけると5VのFETが異常に発熱してしまいます。
その理由がよくわかりません。

24V->5V にはナショセミのLM3485MMというコントローラを使用しています。MOSFETは東芝のTPCS8104というのを使用しており、こいつが発熱します。
5V->12V にはナショセミのLM3478MMというコントローラを使用しています。MOSFETは東芝のTPCP8001Hというのを使用しており、こいつは全く発熱しません。

降圧、昇圧ともよく見るレギュレータの回路構成です。

5VのFET以外の発熱はなく、5V,12Vとも電圧はきっちりと出ています。
バターン配置の問題か、スイッチングノイズが大きいような気がします。

部品の特性？スイッチング周波数の問題？
原因が全くつかめない状況なので、なにかしらヒントでも
いただけたら幸いです。

わかりにくい文面かもしれませんが、よろしくお願いいたします。

回答No.1

myeyesonly · ベストアンサー

こんにちは。
スイッチングレギュレーターの動作から見ればごく自然な事だと思われますが・・・？

５Ｖへの降圧回路は、時間間隔で電流を区切り、平滑してるだけなので、その出力の負荷容量が増せば、ＯＮ時の電流は当然増えます。
デューティー比制御でも、導通時間が増えれば当然発熱は増えます。

１２Ｖに負荷をかける、という事は、この５Ｖ部分には「とっても重い負荷をかける」事に相当するのですから、当然熱くなるでしょう。

５Ｖ回路のスイッチング電流は大きくなるのですから、当然スイッチングノイズは、電流性の大きなものが出ます。
誘導負荷がある場合は、これが電圧性の巨大なノイズになります。

一端電圧を下げてまた上げる、という２段の回路を使う、という発想から設計しなおす方がよい気がします。

お礼

ありがとうございます。
発熱はするもんなんですね。
２段階の回路は・・・
他に方法が思い浮かびませんf^_^;;

回答No.4

anachrockt

ドライブ回路の真っ当な資料を紹介します．
http://focus.ti.com/lit/ml/slup169/slup169.pdf
http://focus.ti.com/lit/ml/slup170/slup170.pdf
筆者のLaszlo Balogh氏はセミナー講師として何度も来日しています．
今年のセミナーには来られるかどうかわかりませんが，出てみると参考になると思います．
http://focus.tij.co.jp/jp/analog/docs/analogsplash.tsp?contentId=50412

資料を読めばわかりますが，ゲート入力容量CissはVGS=0Vでオフしたときの値ですから，スイッチング動作には全く関係有りません．
Cissで何がわかるかと言えば，メーカーでは同一プロセスならチップサイズがわかると言ってます．
知りたいのは，ターンオン・オフするときの入力容量です．
ターンオン・オフのときには入力容量はダイナミックに変動するため，Qgを主要なパラメータとしてドライブ回路を検討します．
また，PchMOSが遅いかと言えば，市販されている最高速DC－DCコンバータICはPchです？
http://www.micrel.com/_PDF/mic3385.pdf

昇降圧コンバータについては，この資料がわかりやすいです．
http://www.onsemi.jp/site/pdf/Efficient_Nonisolated_DCDC.pdf
簡単に実験するなら，ここのFigure18がエエでしょう．
http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/AN920-D.PDF

補足

ありがとうございます。
参考にさせていただきます。
電源回路・・・深いですね。

回答No.3

takepon256

ANo2さんの仰る様に、ゲート容量5710pFのデバイスで高速スイッチングは無謀です・・・。
おそらくはハイサイドスイッチ用のデバイスなのでしょうね。
http://www.necel.com/ja/faq/f_fet.html#0901

MOSFETの再選定をしたいところです・・・が、
PチャネルMOSFETは高速なスイッチング素子が少ないのが現状です。
高効率の同期整流電源などは非常に高速でスイッチングさせるため、Nチャネルのみを使用していたりするくらいです。

スイッチング周波数がどのくらいか分かりませんが周波数を落として使用するか、
できましたらレギュレータのICから選定しなおすことをお勧めいたします。

お礼

ありがとうございます。
たいへんわかりやすいご回答でした。
スイッチング周波数を落としてデバッグしたところ
発熱はだいぶ抑えられたような感じします。

回答No.2

anachrockt

多分，発熱はスイッチング損失でしょう．
LM3485MMのドライブ電流IDRは，0.44A/0.32A，TPCS8104のQgは107nCですから，ゲートドライブの過渡期間は，Qg/IDRより
0.243us（ターンオフ）
0.334us（ターンオン）
もかかっています．
ドレイン・ソース間のスイッチング時間はこれよりも長くなりますから，スイッチング周波数を500kHzとすると，1周期の1/3がスイッチング時間となり，これではチンチンでしょう．
改善するには，コントローラをドライブ能力の大きなものに変更する必要があります．
NSのこれなら，NchMOSが使用できます．
http://www.national.com/JPN/ds/LM/LM3477.pdf
気になるのは，入力電圧30Vmaxで30V耐圧のMOSFETを使っていることです．
普通はディレーティングして，50V以上のMOSFETを使用しますが．

昇降圧コンバータなら，コイルが1個で済むこれがエエですよ．
同期整流で高効率です．
http://www.linear-tech.co.jp/pc/downloadDocument.do?navId=H0,C1,C1003,C1042,C1116,P10090,D24656
あと，昇圧コンバータ用IC使ってSEPICコンバータとゆうてもあります．

お礼

ありがとうございます。
たいへんわかりやすかったです。
参考になりました。
回路、部品の選定を見直してみます。