MOSFET fqp30n06l 3.3v

[Robbiedobbie]

Ik heb recent een PCB laten maken naar eigen ontwerp waar onder andere een PCA9685 MOSFETs aanstuurt, om 12v rgb ledstrips (Common anode, dus de MOSFETs schakelen GND) aan te sturen.

Ik heb echter bij het ontwerpen waarschijnlijk de specs van de MOSFETs verkeerd geïnterpreteerd (Ik heb geen ervaring met MOSFETs), en nu lijkt het erop dat de MOSFETs niet volledig inschakelen zoals gewenst. De PCA9685 draait op 3.3v in mijn ontwerp aangezien hij direct interfaced met andere ICs die 3.3v nodig hebben. Hierdoor krijgen de MOSFETs dus ook 3.3v bij inschakelen. De MOSFETs zijn van type fqp30n06l, waarvan ik had begrepen dat deze bij 3.3v al zouden schakelen. De ledstrips gaan ook wel aan, maar maar heel lichtjes. Wanneer ik handmatig de gate met 5v verbind, dan gaat de strip wel vol aan.

Klopt het dat de fqp30n06l niet volledig inschakelt op 3.3v, of zit er iets anders fout in mijn ontwerp? (Momenteel is de PCA pin aan de Gate gekoppeld, zit de ledstrip min op de Drain en zit de Source aan ground).

Hoe kan ik dit het beste oplossen? Zijn er MOSFETs die wel volledig inschakelen bij dit voltage, of ontkom ik er niet aan om de PCA op 5v te draaien?
(Dit laatste hoop ik te voorkomen aangezien dit betekent dat ik de voedingspin als enige moet desolderen en dan met een mini draad aan een 5v aansluiting moet koppelen, hetgeen geen makkelijk klusje zal zijn)

[Sissors]

Bij 1V Vds heeft dat ding een drain stroom van meer dan 10A typical op 3.3V Vgs. Nu weet ik niet hoeveel LED strip je hebt, maar ik neem aan dat 10A wel voldoende is. Zulk soort mosfets met 5V aansturen levert altijd behoorlijke hoop voordeel op in wat ze kunnen, maar deze moet zover ik zie gewoon het doen voor jouw eisen. Ik denk ook niet dat je snel een veel betere gaat vinden (weet ik van mijn laatste zoektocht naar zo eentje, maar als mensen tips hebben is dat natuurlijk altijd een pré).

Degene waar ik op uit was gekomen was blijkbaar de IPP096N03L. Die lijkt iets beter te zijn op 3.3V dan jouwe, maar nog steeds, jouwe zou het ook moeten doen.

Een mogelijke reden dat hij niet doet: Mijn eerste poging was toen met een STP55NF06 (ook waarschijnlijk een optie voor je), ook die zou het prima moeten doen, maar net als bij jou deed hij het nauwelijks, en op 5V prima. Oorzaak: Faalhazen hadden mij een STP65NF06 opgestuurd, die een veel hogere threshold heeft.

Oftewel opties:
Controleer met een multimeter of er daadwerkelijk 3.3V staat.

Controleer of je de juiste mosfets hebt gekregen.

De handel op 5V draaien. De PCA9685 mag zo te zien niet (officieel) een 3.3V I2C bus gebruiken als hij op 5V draait, maar misschien mogen andere devices op die I2C bus wel 5V hebben.

[jeroen3]

Het gaat allemaal om dit plaatje.

Met 3.3V zit je nog lang niet op de maximum stroom, wat je wel graag wilt m.b.t. warmteontwikkeling en schakelsnelheid. Immers heeft de gate ook een capaciteit. Het plaatje is bij DC, en PWM is voor de gate AC.
Immers moet de gate "opladen", en dit kost tijd. Hier geeft de Safe Operation Area grafiek informatie over.

Eenvoudige oplossing? Een beter fet uitzoeken.
PSMN0R9-25YLC bijvoorbeeld.


Beste oplossing?
Een gate driver, MCP1402 bijvoorbeeld.

Afhankelijk van je circuit zou je ook een BTS141 kunnen nemen. Dat is een smart fet, met ingebouwde gate driver. Maar dan mag je PWM niet al te snel zijn.

[ Voor 23% gewijzigd door jeroen3 op 16-11-2017 14:12 ]

[Robbiedobbie]

Sissors schreef op donderdag 16 november 2017 @ 13:49:
Bij 1V Vds heeft dat ding een drain stroom van meer dan 10A typical op 3.3V Vgs. Nu weet ik niet hoeveel LED strip je hebt, maar ik neem aan dat 10A wel voldoende is. Zulk soort mosfets met 5V aansturen levert altijd behoorlijke hoop voordeel op in wat ze kunnen, maar deze moet zover ik zie gewoon het doen voor jouw eisen. Ik denk ook niet dat je snel een veel betere gaat vinden (weet ik van mijn laatste zoektocht naar zo eentje, maar als mensen tips hebben is dat natuurlijk altijd een pré).

In mijn gebruik (en ook testopstelling) zou op maximaal vermogen de ledstrip zo'n 2A per kanaal mogen vragen, ruimschoots onder die 10A dus.

Sissors schreef op donderdag 16 november 2017 @ 13:49:
Oftewel opties:
Controleer met een multimeter of er daadwerkelijk 3.3V staat.

Controleer of je de juiste mosfets hebt gekregen.

Ik heb zojuist gechecked, en als ik de PCA9685 gewoon volle output laat leveren geeft mijn multimeter mooi 3.3v aan op de gate van de mosfet.

Ook het type is juist voor zover ik kan zien. De mosfets hebben een opschrift waar de eerste regel een italic F met IC26AB is, en de 2e regel FQP 30N06L.

jeroen3 schreef op donderdag 16 november 2017 @ 14:05:
Het gaat allemaal om dit plaatje.
[afbeelding]
Met 3.3V zit je nog lang niet op de maximum stroom, wat je wel graag wilt m.b.t. warmteontwikkeling en schakelsnelheid. Immers heeft de gate ook een capaciteit. Het plaatje is bij DC, en PWM is voor de gate AC.
Immers moet de gate "opladen", en dit kost tijd. Hier geeft de Safe Operation Area grafiek informatie over.

Ik snap dat ik nog lang niet aan de maximum stroom zit. Echter lijkt het me dat de warmteontwikkeling en schakelsnelheid niet zo'n probleem vormen omdat ik nog altijd maar zo'n 20% van stroom die erdoor zou moeten kunnen op 3.3v daadwerkelijk erdoor laat gaan.

Mijn test was sowieso zonder pwm, met gewoon 3.3v op de gate, dus dan zou de schakelsnelheid geen probleem mogen zijn. Klopt het dat ik dan toch zou mogen verwachten dat (alhoewel misschien niet efficient), de ledstrip toch aan zou moeten gaan op vol vermogen?

[jeroen3]

Hoe ziet de rest van je circuit eruit?

[Robbiedobbie]

De rest van het circuit bestaat uit een usb-serial converter, een aantal voltage regulators en meerdere ic's voor verschillende taken. Verder zit er een 433mhz setje op een ic aangesloten en zijn er veel IO poorten voor latere uitbreidingen. Alle IC's zitten gekoppeld via I2C, en een enkele ic kan niet overweg met hoger dan 3.3v io.

Even voor verduidelijking, mijn led circuit ziet er zo uit:

[itcouldbeanyone]

Voor pwm is die 3.3 volt hoe dan ook te laag, tenzij je ver onder de khz blijft.
Kijk eens hoeveel stroom die trekt bij 3.3v
Je hebt wel fets die veel lage vgsth hebben, 0,9v bijv. Maar vds zal een stuk lager zijn.
Over het algemeen zijn lage vgsth is directfett uitvoering en dergelijke, dus niet echt compatible.

In pricipe zul je nooit op 3.3 v het maximale uit je mosfett halen, en met pwm is het maar de vraag of je ledriver de stroom aankan.

Zelf schakel ik mosfetts altijd op 15v , zo heb ik op een eindtrap van 600A een rise en fall time van <5nS
Hierbij was me gate current 18A piek.
Geeft ook leuke emc effecten

[ Voor 50% gewijzigd door itcouldbeanyone op 17-11-2017 19:30 ]

[Sissors]

Euhm, ja, oké. Maar 600A bij een 12V LED strip is meer dan 7kW aan LED verlichting, en 12V is dan natuurlijk idioot weinig. Tenzij TS een compleet stadium wil verlichten met een enkele fet is dat niet heel relevant voor hier.

En misschien mis ik nu iets, maar ik zie niet het verband tussen de spanning en de PWM frequentie. En zelfs als je ver onder de kHz moet blijven, wat dan nog? Oké, het heeft invloed op hoeveel ontkoppeling je nodig hebt. Dat Vds lager is, wat maakt dat uit zolang hij maar 12V (met wat marge) aan kan?

Probleem van TS is dat zijn transistor niet op 3.3V zijn LEDs kan aansturen. Op 5V wel, dus verkeerd aangesloten lijkt me onwaarschijnlijk. Type is juist, en van wat ik erin zie horen ze het typical iig gewoon te doen. Zou natuurlijk kunnen dat hij een hele slechte batch heeft gekregen, maar lijkt me niet heel waarschijnlijk. Als ze op ebay of iets soortgelijks gekocht zijn zou nep me nog waarschijnlijker lijken. Ik begrijp iig niet waarom ze het niet doen, en enige ideeën die ik kan geven dan is toch de handel op 5V draaien, of een andere mosfet kopen. Gate drivers zijn leuk, maar mijn inziens meestal overkill voor zo'n applicatie.

[Flake]

Ander detail wat me opvalt in deze stelling is dat die PCA9685 outputs geen TTL/CMOS outputs zijn, maar de datasheet geeft aan dat dit 'led drivers' zijn die schijnbaar in open drain en totem pole geconfigureerd kunnen worden. Weet je zeker dat ze ook in totem pole staan? Voor open drain ontbreekt je pull up en zou je schema dus al fout zijn.

Er zijn zat mosfets die met 3v3 Ugs 2A kunnen schakelen. EMC vraagstukken ga je ook krijgen met dit soort dingen idd, ik weet niet of OP nog verder maatregelen op z'n pcb daarvoor heeft genomen. Maar hier zou ik wat meer over moeten nadenken dan ik op dit tijdstip kan doen.

[jeroen3]

Over EMC vraagstukken, je bent hier de vrijloop diode vergeten. Door helaas ongewenst inductief gedrag van led strip zal er een spanningspiek ontstaan bij het uitschakelen van de fet.
Simpel gezegd: er loopt stroom door de LED strip, en deze wil niet onderbroken worden, U=I*R, hoge spanning.

Er moet een diode van de drain naar de voeding, zodat stroom naar de voedingcondensatoren kan lopen.

Dat hoeft geen spannend grote diode te zijn, als deze 1A kan is het goed, de inductiviteit is niet erg hoog. Met wat extra kabel is het zonder diode wellicht wel genoeg je 60V fet kapot te maken.
Tenminste, als je de fet snel genoeg kan schakelen dat dit een probleem is. Want daar lijkt het nu niet op.

[memphis]

Ik mis ook een Gate weerstand. Iets in de orde van 10 tot 47 ohm is nodig om de condensator werking op de gate iets tegen te gaan om grote schakelstromen op de gate te voorkomen.

[itcouldbeanyone]

Sissors schreef op vrijdag 17 november 2017 @ 23:09:
Euhm, ja, oké. Maar 600A bij een 12V LED strip is meer dan 7kW aan LED verlichting, en 12V is dan natuurlijk idioot weinig. Tenzij TS een compleet stadium wil verlichten met een enkele fet is dat niet heel relevant voor hier.

En misschien mis ik nu iets, maar ik zie niet het verband tussen de spanning en de PWM frequentie. En zelfs als je ver onder de kHz moet blijven, wat dan nog? Oké, het heeft invloed op hoeveel ontkoppeling je nodig hebt. Dat Vds lager is, wat maakt dat uit zolang hij maar 12V (met wat marge) aan kan?

Probleem van TS is dat zijn transistor niet op 3.3V zijn LEDs kan aansturen. Op 5V wel, dus verkeerd aangesloten lijkt me onwaarschijnlijk. Type is juist, en van wat ik erin zie horen ze het typical iig gewoon te doen. Zou natuurlijk kunnen dat hij een hele slechte batch heeft gekregen, maar lijkt me niet heel waarschijnlijk. Als ze op ebay of iets soortgelijks gekocht zijn zou nep me nog waarschijnlijker lijken. Ik begrijp iig niet waarom ze het niet doen, en enige ideeën die ik kan geven dan is toch de handel op 5V draaien, of een andere mosfet kopen. Gate drivers zijn leuk, maar mijn inziens meestal overkill voor zo'n applicatie.

Die 600amp was met 80volt gewoon als voorbeeld genoemd omdat vgs uitmaakt hoe je rise tijden eruit zien.

Mosfetss met een lage vgsth hebben over algemeen alleen maar smd packages.
Daarnaast zijn ze door hun wat lagere vds niet geschikt voor een inductieve lading


Ff opgezocht

http://nl.farnell.com/tex...h-25v-21a-8son/dp/1791481
Vgsth ligt daar op 0.85v
Vds op 25v (skotchy diode over plus en min, moet dat geen probleem zijn)
En current is ook aardig wat.


Met een te lage vgs dus 3.3v zijn je rise tijden een stuk langer, ga je dan pwmen op een hoge frequentie, dan zou je je mosfetts als een soort weerstand gebruiken, en dan brand je ze gewoon op als kaarslicht.
Mocht hij willen pwmen zou de spanning omhoog moeten, en de gate current. Echter hangt dat natuurlijk ook af van de load.

Wat elders ook al gezegd is mist er nog een weerstand voor de gate,
Het is niet de oorzaak waarom het niet werkt.
Maar die weerstand limiteerd je gate stroom, die nu in theorie oneindig is, wat je led driver en je gate niet zo lekker vinden.

Vergeet niet dat je rdson kwadratisch onhoog gaat, waneer er een stroom tussen je source en je drain loopt, op het moment dat je vgs aan de lage kant zit,

Ik denk dat flake wat gevonden heeft

[ Voor 15% gewijzigd door itcouldbeanyone op 18-11-2017 01:24 ]

[Flake]

-1 voor @jeroen3 over inductie en vrijloopdiode. Leds zijn halfgeleiders en hebben geen inductieve eigenschappen. Hooguit de bedrading, maar dat is nagenoeg verwaarloosbaar. Mosfets hebben daarnaast een body diode, moet meer dan zat zijn voor de inductie in wat draadjes.

[Robbiedobbie]

Sissors schreef op vrijdag 17 november 2017 @ 23:09:Probleem van TS is dat zijn transistor niet op 3.3V zijn LEDs kan aansturen. Op 5V wel, dus verkeerd aangesloten lijkt me onwaarschijnlijk. Type is juist, en van wat ik erin zie horen ze het typical iig gewoon te doen. Zou natuurlijk kunnen dat hij een hele slechte batch heeft gekregen, maar lijkt me niet heel waarschijnlijk. Als ze op ebay of iets soortgelijks gekocht zijn zou nep me nog waarschijnlijker lijken. Ik begrijp iig niet waarom ze het niet doen, en enige ideeën die ik kan geven dan is toch de handel op 5V draaien, of een andere mosfet kopen. Gate drivers zijn leuk, maar mijn inziens meestal overkill voor zo'n applicatie.

Ik vermoed inderdaad dat het een slechte batch of fakes zijn, aangezien ze duidelijk niet goed genoeg op de 3.3v schakelen. Ik heb het nu toch maar opgelost door de voedingslijn van de leddriver op de PCB door te snijden en los een kabel van de voedingspin naar een 5v lijn te solderen. Gelukkig werkt de driver (ondanks dat de datasheet zegt dat het niet kan) toch gewoon op de 3.3v i2c lijnen.

Flake schreef op vrijdag 17 november 2017 @ 23:16:
Ander detail wat me opvalt in deze stelling is dat die PCA9685 outputs geen TTL/CMOS outputs zijn, maar de datasheet geeft aan dat dit 'led drivers' zijn die schijnbaar in open drain en totem pole geconfigureerd kunnen worden. Weet je zeker dat ze ook in totem pole staan? Voor open drain ontbreekt je pull up en zou je schema dus al fout zijn.

De PCA9685 staat inderdaad ingesteld in totem pole configuratie. Nu ik de driver op 5v draai schakelt hij de mosfets ook gewoon goed.

jeroen3 schreef op vrijdag 17 november 2017 @ 23:25:
Over EMC vraagstukken, je bent hier de vrijloop diode vergeten. Door helaas ongewenst inductief gedrag van led strip zal er een spanningspiek ontstaan bij het uitschakelen van de fet.
Simpel gezegd: er loopt stroom door de LED strip, en deze wil niet onderbroken worden, U=I*R, hoge spanning.

Ik was er zelf van uit gegaan dat de ledstrips geen significante inductie hebben, en heb daarom niet gekeken naar manieren om de mosfets hiertegen te beschermen. Bij een volgende keer zal ik dit zeker ook bekijken.

memphis schreef op zaterdag 18 november 2017 @ 00:10:
Ik mis ook een Gate weerstand. Iets in de orde van 10 tot 47 ohm is nodig om de condensator werking op de gate iets tegen te gaan om grote schakelstromen op de gate te voorkomen.

Hier heb ik inderdaad niet aan gedacht. Zoals al gezegd heb ik geen ervaring met mosfets, en ben ik in dit geval uit gegaan van de tekening in de PCA9685 datasheet. Helaas kan ik ze in het huidige ontwerp niet meer zomaar toevoegen. Ik ga het voor nu dan ook erop wagen om hem zo te laten lopen.
Ik heb echter wel weer wat geleerd, dus bij een volgende keer heb ik al een stuk meer kennis over hoe ik de mosfets moet gebruiken.

Bedankt allemaal!

[Sissors]

Gezien TS iig vooruit kan, ga ik een beetje offtopic, en de vraag stellen waarvoor die gate weerstand nodig zou zijn, gezien het wat buiten mijn normale vakgebied valt (op een chip zet je ze niet iig ). Ik heb hem voor de zekerheid ook netjes in mijn LED driver zitten, maar waarom? De Ron van het aansturende circuit zal schakelstromen al beperken tot zijn maximum. Vanuit betrouwbaarheidsoogpunt kan ik eigenlijk niet zien wat het uitmaakt hoe hoog die stroompiek exact is bij het schakelen. Enige wat ik kan bedenken is:

EMC, weerstand gebruiken om flanksnelheid te verlagen en zo potentiele EMC problemen te verminderen. Om eerlijk te zijn vraag ik me af of het heel relevant is bij zo'n hobby printje, maar misschien ook wel.

Ringing van de inductie van de bondwires / PCB in combinatie met de gate capaciteit, al zou daartegen een weerstand naar ground effectiever zijn.

[ Voor 5% gewijzigd door Sissors op 18-11-2017 12:38 ]

[jeroen3]

Flake schreef op zaterdag 18 november 2017 @ 10:17:
-1 voor @jeroen3 over inductie en vrijloopdiode. Leds zijn halfgeleiders en hebben geen inductieve eigenschappen. Hooguit de bedrading, maar dat is nagenoeg verwaarloosbaar. Mosfets hebben daarnaast een body diode, moet meer dan zat zijn voor de inductie in wat draadjes.

Je hebt maar een beetje nodig. De body diode van de fet zit overigens aan de verkeerde kant bij low side switching.

[Flake]

Vishay heeft een fantastische application note over mosfet switching performance:
https://www.vishay.com/docs/73217/an608a.pdf

Equivalent circuit in DC vanuit de gate bestaat dus uit twee caps, Cgd en Cgs. Weerstandje er tussen heb je dus een RC-circuit met een bepaalde tijdconstante, daarmee haal je iig die scherpe flanken eruit en daarmee voorkom je ellende in je EMC spectrum. EMC is ook bij hobbyprintjes hartstikke relevant want je wil niet verantwoordelijk zijn voor storingen. Je creëert gewoon overlast, misschien merk je er zelf niks van maar een ander dan weer wel, bijvoorbeeld hulpdiensten als je pech hebt.

Ik neem aan dat je met ringing oscillatie bedoelt, maar dan heb je wel wat meer nodig dan alleen een beetje inductie. Met een weerstandje naar ground los je daar niks mee op, als het zaakje zou oscilleren dan verlaag je de amplitude hooguit een beetje doordat je vermogen (voor die ledstrip) aan het verspillen bent. Ik snap overigens niet waarom inductie meerdere malen in dit draadje wordt aangehaald, bij ledverlichting is inductie doorgaans een non-issue. EMC kan wél een issue zijn als je leds gaat pwm'en over lange afstanden.

jeroen3 schreef op zaterdag 18 november 2017 @ 13:06:
[...]

Je hebt maar een beetje nodig. De body diode van de fet zit overigens aan de verkeerde kant bij low side switching.

Dat klopt van de body diode, I stand corrected. Dan nog lijkt inductie me geen issue.

[ Voor 12% gewijzigd door Flake op 18-11-2017 13:35 ]

[itcouldbeanyone]

Flake schreef op zaterdag 18 november 2017 @ 13:27:
Vishay heeft een fantastische application note over mosfet switching performance:
https://www.vishay.com/docs/73217/an608a.pdf

Equivalent circuit in DC vanuit de gate bestaat dus uit twee caps, Cgd en Cgs. Weerstandje er tussen heb je dus een RC-circuit met een bepaalde tijdconstante, daarmee haal je iig die scherpe flanken eruit en daarmee voorkom je ellende in je EMC spectrum. EMC is ook bij hobbyprintjes hartstikke relevant want je wil niet verantwoordelijk zijn voor storingen. Je creëert gewoon overlast, misschien merk je er zelf niks van maar een ander dan weer wel, bijvoorbeeld hulpdiensten als je pech hebt.

Ik neem aan dat je met ringing oscillatie bedoelt, maar dan heb je wel wat meer nodig dan alleen een beetje inductie. Met een weerstandje naar ground los je daar niks mee op, als het zaakje zou oscilleren dan verlaag je de amplitude hooguit een beetje doordat je vermogen (voor die ledstrip) aan het verspillen bent. Ik snap overigens niet waarom inductie meerdere malen in dit draadje wordt aangehaald, bij ledverlichting is inductie doorgaans een non-issue. EMC kan wél een issue zijn als je leds gaat pwm'en over lange afstanden.


[...]

Dat klopt van de body diode, I stand corrected. Dan nog lijkt inductie me geen issue.

Of de ts rekening moet houden met inductie, zelf denk ik niet zo, het hangt natuurlijk af hoeveel kabel er aan hangt.

De gate weerstand beperkt de rise tijden, als je gaat pwmen, moet je rise tijden niet te lang zijn (anders gaat je mosfett nooit volledig open)
Maar ook niet te kort, want dan zorgt een beetje inductie voor een kapotte mosfett.
Je boddy diode doet zowel bij low side als bij high side helemaal niets. Het enige verschil is, dat bij high side switching je een negatieve spike krijgt op je source, (n channel) , en bij low side zit je met positive spikes , zolang je spikes laag blijven is er niets aan de hand.

[Sissors]

Flake schreef op zaterdag 18 november 2017 @ 13:27:
Vishay heeft een fantastische application note over mosfet switching performance:
https://www.vishay.com/docs/73217/an608a.pdf

Equivalent circuit in DC vanuit de gate bestaat dus uit twee caps, Cgd en Cgs. Weerstandje er tussen heb je dus een RC-circuit met een bepaalde tijdconstante, daarmee haal je iig die scherpe flanken eruit en daarmee voorkom je ellende in je EMC spectrum. EMC is ook bij hobbyprintjes hartstikke relevant want je wil niet verantwoordelijk zijn voor storingen. Je creëert gewoon overlast, misschien merk je er zelf niks van maar een ander dan weer wel, bijvoorbeeld hulpdiensten als je pech hebt.

Ik neem aan dat je met ringing oscillatie bedoelt, maar dan heb je wel wat meer nodig dan alleen een beetje inductie. Met een weerstandje naar ground los je daar niks mee op, als het zaakje zou oscilleren dan verlaag je de amplitude hooguit een beetje doordat je vermogen (voor die ledstrip) aan het verspillen bent.

EMC dus, maar is het dan het probleem op het PCB, want ik kan me niet voorstellen dat die paar centimeter op een PCB iets doet, of is het doel het aan/uit schakelen van de LED strip wat te vertragen?

In principe heb je met een beetje inductie + gate capaciteit van mosfet een LC tank. Of dat in de praktijk ringing (oscillaties) kan geven weet ik niet, maar vandaar de vraag.

[ Voor 14% gewijzigd door Sissors op 18-11-2017 16:11 ]