Power MOSFET terlalu panas pada 1A

Saya sedang membangun driver LED RGB yang dikendalikan oleh Arduino dengan menggunakan driver LED arus konstan WS2803, driver TLP250 MOSFET dan MOSFET IRF540N. Begini tampilannya:

Gambar diperkecil sehingga lebih sulit untuk melihat, R3, R7 dan R11 adalah resistor 1k.

Sirkuit ini menggerakkan strip LED 5m RGB (100 segmen) dan harus menggunakan maks 2A / saluran. Jadi setiap MOSFET harus menangani 2A pada 13V maks. IRF540N memiliki peringkat 100V / 33A. RDSon harus 44mOhm. Jadi saya pikir tidak perlu ada heatsink.

Saya jelas ingin hal-hal ini PWM (WS2803 PWM di 2.5kHz) tapi mari kita fokus pada keadaan ON penuh. Masalah yang saya miliki adalah bahwa MOSFET secara serius overheating dalam keadaan ON penuh (tidak ada switching yang terjadi). Anda dapat melihat nilai yang saya ukur dalam keadaan HIDUP penuh pada gambar.

TLP250 tampaknya menggerakkan MOSFET dengan benar (VGS = 10.6V) tapi saya tidak mengerti mengapa saya mendapatkan VDS yang sangat tinggi (seperti 0.6V pada LED merah). Mereka MOSFET harus memiliki RDSon 44mOhm sehingga ketika 1.4A mengalir melaluinya, itu harus membuat penurunan tegangan kurang dari 0,1V.

Hal-hal yang saya coba:

• dihapus TLP250 dan diterapkan 13V langsung ke gerbang - berpikir bahwa MOSFET tidak sepenuhnya terbuka tetapi tidak membantu sama sekali, VDS masih di 0,6V
• melepas strip LED dan menggunakan bohlam mobil 12V / 55W pada saluran merah. Ada 3.5A yang mengalir, VDS berada pada 2V dan naik ketika MOSFET memanas

Jadi pertanyaan saya adalah:

1. mengapa VDS begitu tinggi dan mengapa MOSFET terlalu panas?
2. bahkan dengan VDS di 0.6V dan ID di 1.4A kekuatannya 0.84W yang saya anggap baik-baik saja tanpa heatsink?
3. apakah saya akan lebih baik dengan MOSFET yang kurang kuat, seperti 20V / 5A? Atau gunakan MOSFET tingkat logika dan mengendarainya langsung dari WS2803 (meskipun saya suka isolasi optik TLP250).

Beberapa catatan:

• Saya memiliki sirkuit ini hanya pada papan tempat memotong roti saat ini dan kabel yang menghubungkan sumber MOSFET ke GND menjadi sangat panas juga. Saya tahu bahwa ini normal karena ada arus yang relatif tinggi yang mengalir melalui mereka tetapi saya pikir saya hanya menyebutkannya
• Saya membeli MOSFET dalam jumlah besar dari Cina, mungkinkah itu bukan IRF540Ns dan memiliki spesifikasi yang cukup rendah?

EDIT: Satu hal lagi. Saya telah membuat pengontrol ini berdasarkan driver MOSFET dari sini . Pria itu menggunakan sumber daya terpisah untuk TLP250 dan untuk beban (Vsupply, VMOS). Saya menggunakan sumber yang sama untuk keduanya. Tidak yakin apakah itu penting. Dan catu daya saya adalah 12V 10A diatur jadi saya tidak berpikir bahwa catu daya adalah masalahnya.

Terima kasih.

Setelah menerima IRF540N dari penjual terkemuka, saya pasti dapat mengonfirmasi bahwa yang awalnya saya gunakan adalah palsu.

Setelah mengganti yang palsu dengan yang asli saya mendapat Vds = 85mV di saluran merah. Apa yang saya tidak harapkan adalah bahwa FET asli menjadi panas setelah satu menit atau lebih. Dan kemudian saya menyadari bahwa FET itu tidak menghasilkan banyak panas sendiri tetapi agak memanas (dan cukup banyak) dari papan tempat memotong roti dan kabel (Connor Wolf menyebutkannya). Kabel pendek yang menghubungkan sumber FET ke GND berteriak panas ketika ini dalam keadaan ON penuh. Memindahkan FET dari papan tempat memotong roti mengkonfirmasi bahwa sumber panas adalah papan tempat memotong roti / kabel. Yang palsu mulai panas tetapi saya benar-benar bisa mendinginkannya hanya dengan menyentuhnya. Yang asli ada di suatu tempat di antara suhu kamar dan Lukas hangat. Btw. mengukur VDS langsung pada pin FET vs mengukurnya 1 cm di papan tempat memotong roti membuat perbedaan sekitar 200mV (85mV pada pin, 300mV pada papan tempat memotong roti).

Berikut adalah beberapa gambar, palsu di sebelah kiri, asli di sebelah kanan dan tanda pabrikan di bagian bawah:

Meskipun ada lebih banyak tanda paket IRF mungkin seperti yang ditunjukkan dalam dokumen ini, saya tidak dapat menemukan yang serupa dengan yang palsu (yang hanya mendukung bahwa ini adalah palsu). Juga guntingan di bagian atas pelat belakang berbentuk segi empat vs bulat pada yang asli dan dalam spesifikasi.

Terima kasih semuanya atas semua komentar Anda! Sirkuit sekarang berfungsi seperti yang diharapkan (termasuk PWM).

Menurut pengukuran Anda, transistor paling atas pada resistensi adalah:

$44m\Omega$

$I_D=33A$

Juga, seperti dinyatakan Madmanguruman dalam jawabannya, dengan mempertimbangkan skenario terburuk dari resistansi termal Junction-to-Ambient, Anda harus mengamati peningkatan yang wajar dalam suhu transistor.

Kesimpulan: data yang Anda berikan tidak konsisten.

Sumber yang mungkin untuk kesalahan:

• Transistor yang Anda gunakan bukan IRF540N
• Peralatan pengukuran Anda tidak akurat
• Anda tidak melakukan pengukuran dengan benar. Komentar Anda menunjukkan bahwa Anda melakukannya dengan benar.
• Saya salah

Dua yang pertama adalah sumber kesalahan yang paling mungkin menurut saya.

Adapun bagian kedua dari pertanyaan Anda, Anda pasti bisa lebih baik dengan beberapa transistor tegangan rendah. Resistansi rendah membutuhkan saluran sesingkat mungkin, sedangkan voltase tinggi sulit dicapai dengan saluran pendek. Dalam hal ini, di mana Anda tidak berharap melihat tegangan drain-to-source yang tinggi ini, Anda dapat "memperdagangkan" beberapa peringkat tegangan untuk resistansi yang lebih rendah.

Saya pikir "overheating" sedikit berlebihan. Panas, ya, tapi terlalu panas, tidak.

Hambatan termal non-heatsink-ke-ambien untuk bagian IR adalah:

$R_{\Theta_{JA}} = 62°C/W$

Pada 0.84W, suhu 52 ° C naik melebihi ambient, yang akan membuat perangkat terlalu panas untuk disentuh. Bagian tersebut dinilai untuk operasi 175 ° C tetapi jarang ada ide bagus untuk memiliki bagian di sana yang dapat membakar operator.

$R_{DS(on)}$$1.5m\Omega$