Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik richtiger MOSFET-Treiber


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von David G. (david311998)


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Hallo zusammen,

ich bin gerade dabei einen MOSFET-Treiber auszusuchen.

Der Treiber soll im Bestfall 12 Mosfets mit jeweils 490pF 
Eingangskapazität ansteuern. Das Signal, welches getrieben werden soll 
ist eine PWM mit einer Grundfrequenz von 500kHz und einer Amplitude von 
10V.

Wie groß sollte der mögliche Maximalstrom ungefähr sein, damit der 
Treiber die MOSFETs ansteuern und auch noch Dutycycle <10% möglich sind?

Grob überschlagen müssten 4A reichen. Sehe ich das richtig? Hat jemand 
Erfahrungswerte?

Danke und viele Grüße

: Verschoben durch Moderator
von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Verrate bloß wieder nicht, was für eine Geheimwaffe das werden soll...

von David G. (david311998)


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Ich entwerfe die Ansteuerung einer schon bestehenden Beleuchtungsplatine 
auf welcher mehrere LED-Segmente über Mosfets angesteuert werden.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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David G. schrieb:
> Wie groß sollte der mögliche Maximalstrom ungefähr sein, damit der
> Treiber die MOSFETs ansteuern und auch noch Dutycycle <10% möglich sind?
Du solltest nicht den "Maximalstrom" ausrechnen, sondern den 
"Minimalstrom", also den Strom, den du mindestens brauchst, um die 
Fets schnell genug zu schalten.

David G. schrieb:
> Ich entwerfe die Ansteuerung einer schon bestehenden Beleuchtungsplatine
Mit 500kHz PWM-Grundfrequenz und Schaltflanken im 30MHz Bereich (weil 
nötige Flankensteilheit <20ns)? Das hört sich irgendwie nach 
"EMV-Schleuder" an...

: Bearbeitet durch Moderator
von Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)


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Damit bei einem Duty Cycle von nur 10% noch ein Rechteck zu erkennen 
ist, kann man mindestens mit der 10 fachen Frequenz rechnen, also 5MHz. 
Mit einem 47 Ohm Gatewiderstand pro Mosfet ergibt das eine Grenzfrequenz 
von 6,9MHz. Bei 12 Mosfets entspricht das einem Strom von 2,6A.

Für ein noch schöneres Rechteck ist ein 10 Ohm Gatewiderstand pro Mosfet 
besser geeignet.

von Falk B. (falk)


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David G. schrieb:
> Der Treiber soll im Bestfall 12 Mosfets mit jeweils 490pF
> Eingangskapazität ansteuern.

In den meisten Fällen nimmt man nicht nur einen Treiber für 12 MOSFETs 
sondern eher mehrere, im Idealfall 12.

> Das Signal, welches getrieben werden soll
> ist eine PWM mit einer Grundfrequenz von 500kHz und einer Amplitude von
> 10V.

Ganz schön sportlich!

>Wie groß sollte der mögliche Maximalstrom ungefähr sein, damit der
>Treiber die MOSFETs ansteuern und auch noch Dutycycle <10% möglich sind?

500kHz == 2us
10% davon sind 200ns
Wenn ma noch was als Puls sehen will, wird man um die 20-50ns Schaltzeit 
anpeilen.

>Grob überschlagen müssten 4A reichen. Sehe ich das richtig?

Wo ist deine Überschlagsrechnung?

>Hat jemand
>Erfahrungswerte?

Deine MOSFETs mit 490pF haben bei 10V am Gate ~5nC Gateladung (da sollte 
man besser den Datenblattwert nehmen)

I = Q / t = 5nC / 50ns = 100mA

>Ich entwerfe die Ansteuerung einer schon bestehenden Beleuchtungsplatine
>auf welcher mehrere LED-Segmente über Mosfets angesteuert werden.

Aha. Mal wieder eine Super Duper LED-PWM Steuerung für eine 
Videoleuchte, damit ja nix flimmert? Das geht auch mit DEUTLICH weniger 
als 500kHz.

von Peter D. (peda)


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David G. schrieb:
> Ich entwerfe die Ansteuerung einer schon bestehenden Beleuchtungsplatine
> auf welcher mehrere LED-Segmente über Mosfets angesteuert werden.

Für flimmerfrei reichen 200..500Hz aus. Bei 10V schafft das noch ein 
MC-Ausgang direkt ganz ohne Treiber.

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Soso aus einem µC kommen also 10V... interessant.
Und 500kHz für ne LED-Ansteuerung - ja nee, is klar. Bin raus.

von David G. (david311998)


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Ich sollte vielleicht ergänzen, dass es sich um eine industrielle 
Kamerabeleuchtung handelt, bei dem die Kamera Bilder mit 
Verschlusszeiten von 10µs und kleiner aufnimmt

von Andreas B. (bitverdreher)


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Jetzt kommen so langsam die Salamischeibchen

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Ben B. schrieb:
> Soso aus einem µC kommen also 10V... interessant.

Es gibt Transistoren, die schon mit 5V ihren Zweck erfüllen.

Anstatt die Lampe mit PWM zu dimmen und ein risen EMV problem zu 
erzeugen, würde ich lieber eine einstellbare Stromquelle verwenden, wie 
sich das gehört. Kann man ganz problemlos fertig kaufen.

Alternative: Mehrere schaltbare Lampen, wie bei Opa im Wohnzimmer für 
den Kronleuchter.

: Bearbeitet durch User
von Andrew T. (marsufant)


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David G. schrieb:
> Ich sollte vielleicht ergänzen, dass es sich um eine industrielle
> Kamerabeleuchtung handelt, bei dem die Kamera Bilder mit
> Verschlusszeiten von 10µs und kleiner aufnimmt

Und evtl. solltest Du daran denken welche EMV ein derart starker Sender 
bei 500kHz mach ....
Denn es wirkt jeder Zentimeter Leitung in Deine r Schaltung als Antenne.

Ebenso ob die Beleuchtung nicht durch länger "ein" sein kann, da ja die 
aufgenommene Lichtmenge am Sensor durch den Verschluß zeitlich gesteuert 
wird.
Das entschärft das Problem nämlich deutlich.

von H. H. (hhinz)


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David G. schrieb:
> Sehe ich das richtig?

Nein, du hast Qg nicht berücksichtigt.

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Was ich machen würde wäre ein echter regelbarer Gleichstrom für die 
LEDs, evtl. mit interleaved phases um den Ripplestrom zu minimieren. 
Oder den Stromregler als Linearregler, mit einem Schaltregler 
vorgeregelt um dessen Verlustleistung zu reduzieren. Dann wäre der 
Ripplestrom komplett weg und ich brauch mich nicht um 500kHz an den FETs 
oder mega kurze Verschlußzeiten zu kümmern.

von Peter D. (peda)


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Professionelle LED-Netzteile machen keine PWM, weil das zuviel Verluste 
hat. Die nehmen ein Schaltnetzteil geregelt als Konstantstromquelle. 
Dessen Speicherdrossel ist das ideale Bauteil, um den Strom zu glätten. 
Damit ist auch das Flimmern vom Tisch. Der PWM-Eingang gibt nur den 
Sollwert vor, d.h. dessen Frequenz ist egal. Oft können sie auch 
automatisch zwischen PWM- und 10V-Eingang umschalten.

von Εrnst B. (ernst)


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Wenn eh 12 Mosfets vorgesehen sind:
Schalt die halt nicht alle parallel, sondern steuer die phasenverschoben 
an.
Dann kannst du mit der Frequenz deutlich runtergehen, die 
Treiberschaltung wird kleiner (vermutlich geht dann auch LL-Fet direkt 
am µC), die nötigen Kapazitäten am Leistungsteil werden kleiner, ...

Richtig gemacht sind dann selbst bei deinem

David G. schrieb:
> Dutycycle <10%

nie alle LEDs gleichzeitig aus.

Nachteil: Die Bereitstellung der PWM-Signale wird komplizierter. Oder 
auch nicht, wenn z.B. ein PCA9685 reicht.

: Bearbeitet durch User
von Mampf F. (mampf) Benutzerseite


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Peter D. schrieb:
> Professionelle LED-Netzteile machen keine PWM, weil das zuviel
> Verluste
> hat. Die nehmen ein Schaltnetzteil geregelt als Konstantstromquelle.
> Dessen Speicherdrossel ist das ideale Bauteil, um den Strom zu glätten.
> Damit ist auch das Flimmern vom Tisch. Der PWM-Eingang gibt nur den
> Sollwert vor, d.h. dessen Frequenz ist egal. Oft können sie auch
> automatisch zwischen PWM- und 10V-Eingang umschalten.

Würde ich auch so sehen.

Solche LED-Netzteile mit PWM-Eingang gibt es sogar für ziemlich wenig 
Geld fertig zu kaufen.

Heutzutage sind >200W LED Netzteile für < 50EUR zu haben

von H. H. (hhinz)


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Mampf F. schrieb:
> Solche LED-Netzteile mit PWM-Eingang gibt es sogar für ziemlich wenig
> Geld fertig zu kaufen.
>
> Heutzutage sind >200W LED Netzteile für < 50EUR zu haben

Die kann der Chef des TE aber nicht teuer verkaufen.

https://www.pleva.org

von ... (Gast)


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Vermutlich kommen jetzt aber weitere frisch geschnittene Scheibchen,
welche diese und jene Einschränkung festlegen, wieso das nicht geht.

Deshalb bin ich so ein großer Fan vollständiger Projektbeschreibungen
mit Schaltplänen etc. (und evtl. mitsamt aller anderen Bedingungen,
wie vorh. Material, Einbausituation, (Zusatz-)Budget und so weiter).

Teil -beschreibungen bergen doch immer hohes Überraschungspotential.

von ... (Gast)


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H. H. schrieb:
>> Heutzutage sind >200W LED Netzteile für < 50EUR zu haben
>
> Die kann der Chef des TE aber nicht teuer verkaufen.
>
> https://www.pleva.org

Da kann ich wohl lange auf "vollständige Beschreibungen" warten.

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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> Die nehmen ein Schaltnetzteil geregelt als Konstantstromquelle.
> Dessen Speicherdrossel ist das ideale Bauteil, um den Strom
> zu glätten. Damit ist auch das Flimmern vom Tisch.
Leider nicht ganz, der Strom in der Drossel hat im Optimalfall einen in 
etwa dreieckförmigen Verlauf und das erzeugt ein sichtbares Flimmern 
wenn man mit der Framerate die Nähe einer Harmonischen der PWM-Frequenz 
trifft. Oder wenn der Wandler nicht optimal läuft, also lückender 
Betrieb oder hohe Spannungsdifferenz, dann bekommt man da auch Pausen 
oder Sägezahnkurven, das sieht man noch viel eher.

Daher mein Vorschlag mit den interleaved phases oder eben echter 
Gleichstrom, frei von jedem Ripple.

von HansImLot (Gast)


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Bei der beschrieben Anwendung auf jeden Fall die LEDs mit Gleichstrom 
betreiben.

+1

von ... (Gast)


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Ben B. schrieb:
> Leider nicht ganz, der Strom in der Drossel hat im Optimalfall einen in
> etwa dreieckförmigen Verlauf und das erzeugt ein sichtbares Flimmern
> wenn man mit der Framerate die Nähe einer Harmonischen der PWM-Frequenz
> trifft.

Zumindest wenn Delta_I nicht niedrig genug (L/f hoch genug) ist.

> Oder der Wandler nicht optimal läuft, lückender Betrieb

Auch das wäre dadurch leicht vermeidbar, indem man bis (hier) 10%
des I_max über ausr. hohe L keinen Lückbetrieb zuläßt.

> oder hohe Spannungsdifferenz, dann bekommt man da auch Pausen
> oder Sägezahnkurven,

Stimmt das? Dachte, dabei wird nur die Steigung steiler, dafür das
Gefälle flacher beim Stromdreieck (hohe U_ein/niedrige -U_aus an L).
Das ändert doch nichts am Grundverhältnis L:f:I_aus?

Was also imho stören könnte ist, wie Du sagtest, eine Subharmonische
der Schaltfrequenz genau oder auch nur ausr. nahe an der Framerate,
oder eben zu geringe Induktivität (L) für den 10% Betriebspunkt, so
daß es zu Lückbetrieb oder Burst-Modus kommen könnte.


> Daher mein Vorschlag mit den interleaved phases oder eben echter
> Gleichstrom, frei von jedem Ripple.

Interleaved hätte aber übrigens auch mit Linearregler dahinter immer
noch die schon immer bekannten Vorteile - wenn auch der C_aus nicht
ganz eingespart werden kann, so, wie Du das wohl meintest.

Und vermutlich wäre so ein Wandler hier auch sowieso nicht falsch
(grob geschätzt aus der C_iss 490pF geht es um mehrere Ampere für
jeden der 12 Fets, und vermutlich um niedrige Spannung (1 mal oder
nur 2 oder höchstens 3 mal V_F von vielleicht um 4V seriell)).

"Leicht zu bauen" ist so etwas aber nicht unbedingt, und für den
TO wohl erst recht nicht (man beachte die Fragestellung - obwohl
er evtl. auf diverse Firmen-Ressourcen zurückgreifen kann, würde
das kein Zuckerschlecken).

Modular vielleicht (PCB Stapel, Masterplatine liefert dann die
phasenverschobene Grundfrequenz) einfacher, ohne zu viele Lagen?

von Eins N00B (Gast)


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Peter D. schrieb:
> Professionelle LED-Netzteile machen keine PWM, weil das zuviel
> Verluste
> hat. Die nehmen ein Schaltnetzteil geregelt als Konstantstromquelle.
> Dessen Speicherdrossel ist das ideale Bauteil, um den Strom zu glätten.
> Damit ist auch das Flimmern vom Tisch. Der PWM-Eingang gibt nur den
> Sollwert vor, d.h. dessen Frequenz ist egal. Oft können sie auch
> automatisch zwischen PWM- und 10V-Eingang umschalten.

Jein. Nach meinem Stand benutzt man zum Treiben von LEDs mit etwas Dampf 
(sagen wir mal 10W-200W) Schaltwandler im Konstantstrombetrieb, das 
stimmt. Allerdings dimmt man die nicht rein analog, da dies wohl die 
Farbe der LEDs beeinflusst und es auch nur bis zu einer gewissen Grenze 
überhaupt wirklich funktioniert. Also ist es dann digitales Dimmen (aka 
PWM) oder analoges Dimmen (Sollwertänderung der KSQ) in Kombination mit 
PWM bei weit heruntergestellter Ausgangsleistung.
Die PWM-Frequenzen sind dann allerdings deutlich niedriger als beim TE.

von Eins N00B (Gast)


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Achso, kleiner Nachtrag zum Eröffnungspost: Das hängt doch auch damit 
zusammen, wie viel Wärme man sich antun möchte. Kürzere Schaltzeiten → 
weniger Schaltungsverluste.

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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> Stimmt das? Dachte, dabei wird nur die Steigung steiler
So kann man das auch sagen, im Grunde bleibt es immer eine Dreieckskurve 
(so gesehen wäre auch Sägezahn ein Dreieck), aber man nähert sich immer 
mehr dem Sägezahn an wenn der Wandler weit außerhalb seiner Mitte 
betrieben wird.

Am einfachsten aufzubauen und trotzdem ideale Ergebnisse bringend wäre 
meiner Meinung nach die Lösung mit dem vorgeregelten Linearregler. 
Diesen mittels DA-Wandler auf den Soll-Strom für die LEDs einstellen und 
den Vorregler als vollkommen analog bzw. selbständig arbeitenden 
Schaltregler so aufbauen, daß er 2..3V über der linearen Stromquelle 
hält. Eben das, was der Linearregler braucht um seinen Maximalstrom 
sicher erreichen zu können. Etwas mehr macht den Linearregler stabiler, 
etwas weniger sorgt für geringere Verlustleistung, daher so wenig wie 
möglich und so viel wie nötig.

Oder alles als Schaltregler lassen und dessen Ausgangsspannung mit einem 
großen Ausgangsfilter glattbügeln. Keine Ahnung wie effektiv so ein 
Filter wäre (vor allem wenn der Schaltregler in einem ungünstigen 
Betriebsbereich arbeiten muß) oder welche Restwelligkeit verschmerzbar 
wäre, von daher ist diese Lösung für mich aber schwer einschätzbar.

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