合科泰技术答疑 | LED背光驱动中MOSFET先短路后开路的故障解析

在LED背光驱动的升压电路中，功率MOSFET出现先短路后开路的损坏情况，是一种典型的故障过程。先因电气过载导致芯片内部击穿短路，随后因大电流烧断内部连接线而形成开路。这一现象通常意味着电路存在设计不足或承受了过大的压力。今天，合科泰为大家深入解析这一故障背后的原因。

故障过程分析

该损坏过程可分为连续的两个阶段。首先，MOSFET在芯片层面发生功能性失效，通常表现为各引脚之间短路。这主要是因为器件在运行时承受了超出其设计限度的电或热压力。常见原因包括开关关闭瞬间产生的异常高压超过了器件耐压值；异常负载或控制环路不稳导致的持续过大电流；驱动信号不良引起的开关振荡或控制电压超标；以及长期高温工作导致的芯片内部材料老化。早期的静电损伤也可能埋下隐患。在此阶段，芯片内部已形成导电短路。

随后，由于芯片已短路，电源电压几乎直接施加在回路中极小的寄生电阻上，产生远超设计值的巨大持续电流。该电流集中流经连接芯片与外部引脚的内部金属线。这些金属线截面积很小，巨大的电流会使它们急剧发热，最终熔断，从而导致芯片与外部引脚之间的电气连接断开，呈现出最终的开路状态。

关键设计考量与预防方向

为避免此类损坏，需要在电路设计和器件选择中系统地控制MOSFET承受的压力：

• 电压压力抑制：必须准确评估并抑制MOSFET关断时在其两端产生的电压尖峰。这涉及优化变压器设计以减少漏磁干扰，并在MOSFET两端设置有效的吸收高压尖峰的缓冲电路，以限制电压并消耗多余能量。所选MOSFET的额定耐压值必须留有足够余量，要能覆盖正常输入电压、反射电压与尖峰电压的总和。
• 电流与热管理：确保MOSFET的电流承受能力（包括瞬时电流）能满足最恶劣工作条件下的需求。精确计算其工作时的损耗，并基于此和器件的散热参数，通过有效的散热设计将芯片内部的工作温度严格控制在安全范围内。高温是加速所有损坏过程的共同因素。
• 驱动与布局优化：提供干净、稳定且驱动能力足够的控制信号，以避免开关过程缓慢或产生振荡。电路板布局应极力优化，使主功率电流的回路面积最小，以降低杂散电感；控制信号走线应远离高压高速开关的节点，防止受到干扰。
• 保护机制集成：在系统层面集成可靠的保护电路，如过流保护、过压保护及过热保护。这些保护功能应能在检测到异常时快速关断驱动信号，从而在芯片发生初始短路前切断应力路径，防止故障扩大至烧断内部连接线的阶段。

总结

MOSFET在升压电路中先短路后开路的故障，本质上是电气过载击穿芯片后，后续大电流熔断内部连接线的结果。根本的预防措施在于通过严谨的电路设计、充分的器件参数余量以及优化的电路板布局，确保MOSFET在所有预期和异常情况下所承受的电、热压力均处于其安全工作的绝对限度之内。系统的保护功能是阻止局部损坏演变为完全开路的最后保障。深入理解这一损坏顺序，对于提升开关电源类产品的长期可靠性具有普遍的指导意义。合科泰不仅提供高质量的MOSFET产品，还为客户提供全面的技术支持。

如果您在LED背光驱动电路设计中遇到MOSFET失效问题，欢迎随时联系我们。