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如何使用晶體管通過(guò)微控制器切換大負(fù)載
微控制器非常適合在給定產(chǎn)品背后實(shí)現(xiàn)智能。但是，他們無(wú)法做的一件事就是直接控制除單個(gè)LED以外的任何東西。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)微控制器的輸出驅(qū)動(dòng)器只能直接提供或吸收大約10mA的電流。
本文介紹了幾種從典型的微控制器輸出切換低端較重負(fù)載的方法。需要一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)確定典型的組件值，并且這些將以易于訪問(wèn)的格式呈現(xiàn)。但是，這種方法意味著已經(jīng)采取了一些嚴(yán)格的自由措施。
飽和開(kāi)關(guān)是控制以DC電流運(yùn)行的大負(fù)載的最簡(jiǎn)單方法之一。實(shí)際的電子開(kāi)關(guān)元件有兩種變體：雙極結(jié)型晶體管（BJT）和MOSFET。
在開(kāi)始實(shí)際開(kāi)關(guān)本身之前，讓我們定義低端開(kāi)關(guān)的含義。圖1顯示了這種類型的負(fù)載切換。
圖1 –低端負(fù)載開(kāi)關(guān)
開(kāi)關(guān)控制負(fù)載的負(fù)極。這意味著，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載基本上相對(duì)于電源的負(fù)極浮動(dòng)，該負(fù)極通常是大多數(shù)設(shè)計(jì)中的接地參考。
如果這種開(kāi)關(guān)方式是可以接受的，那么低側(cè)開(kāi)關(guān)通常是實(shí)現(xiàn)負(fù)載開(kāi)關(guān)的最便宜的方法。
BJT低側(cè)開(kāi)關(guān)
BJT可用作負(fù)載開(kāi)關(guān)，有兩種形式：NPN和PNP。對(duì)于低側(cè)開(kāi)關(guān)，使用NPN晶體管，對(duì)于高側(cè)開(kāi)關(guān)，使用PNP。
在進(jìn)入實(shí)際方法之前，讓我們定義一些在處理NPN晶體管時(shí)使用的術(shù)語(yǔ)。
圖2顯示了相關(guān)的電壓和電流命名約定。從電流開(kāi)始，IB為基準(zhǔn)電流，并顯示為進(jìn)入NPN的基準(zhǔn)。相同的論點(diǎn)適用于我?和I E，其中I E顯示離開(kāi)晶體管。
可以看出：I E = I C + I B
對(duì)于這些電壓，V CE是集電極和發(fā)射極之間的電壓，對(duì)于NPN晶體管通常為正值。換句話說(shuō)，對(duì)于NPN晶體管，集電極電壓通常高于發(fā)射極電壓。
按照相同的慣例，V BE是基極和發(fā)射極之間的電壓。對(duì)于NPN來(lái)說(shuō)通常是積極的。
圖2 – NPN BJT電壓和電流
理解晶體管如何控制大負(fù)載的關(guān)鍵是以下公式：
I C =βIB ，其中β是直流電流增益，可能為20至300，甚至更高。
這表示集電極電流是β值乘以基極電流。因此，如果β= 100，則集電極電流將是基本電流的100倍。
β的值在給定晶體管的數(shù)據(jù)表中以h FE給出。就本文而言，它們的含義相同。請(qǐng)注意，對(duì)于給定的晶體管，該值不是固定值，但會(huì)隨著集電極電流和溫度的值而有所變化，但這對(duì)于本文而言并沒(méi)有多大關(guān)系。
當(dāng)BJT用作負(fù)載開(kāi)關(guān)時(shí)，它們以兩種模式使用：截止和飽和?？紤]下面的圖3。如前所述，I C =βIB 。因此，如果I B = 0，則I C也必須為0。在這種狀態(tài)下，晶體管處于截止模式。請(qǐng)注意，由于晶體管中沒(méi)有電流流動(dòng)，因此它不會(huì)消耗任何功率。在這種情況下V C與V CC相同。
在下一部分中，假設(shè)V CC = 10 V，R =10Ω，β=100。讓我們看看當(dāng)I B = 1mA時(shí)會(huì)發(fā)生什么。在這種情況下，I C = 100mA，因?yàn)?span>β=100。電阻兩端的電壓為I C x R L或1V。這意味著V C必須為9 V，因?yàn)?span>V CC為10 V ，并且R L兩端的電壓降為1V。如果I B = 2mA，則適用相同的論點(diǎn)，依此類推。
現(xiàn)在，如果I B = 20mA會(huì)發(fā)生什么。根據(jù)計(jì)算，這意味著I C = 2000mA或2A。但是，事實(shí)并非如此。以來(lái)V CC = 10 V，R L =10Ω，可流經(jīng)R L的最大電流為1A。
換句話說(shuō)，我的最大值?也是1A。這發(fā)生在V C = 0，這意味著晶體管對(duì)地短路。
在這種狀態(tài)下，該晶體管被稱為處于飽和模式。在這種模式下，晶體管集電極電流是電路條件允許的最大電流，而增加的基極電流將不會(huì)使其升高。
所以，等式I C ^ =βI乙僅保持直到晶體管飽和。注意，在上述示例中，如果現(xiàn)在將V CC增加到25V，或者將R L更改為1Ω，則晶體管將不再飽和。因此，飽和度是相對(duì)于外部電路條件定義的。
最后，請(qǐng)注意，除非有缺陷，否則真實(shí)晶體管在集電極和發(fā)射極之間不可能完全短路。當(dāng)實(shí)際晶體管飽和時(shí)，其V CE將為V CEsat的值。該值在晶體管數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出，對(duì)于一個(gè)小晶體管，通常在0.2V至一個(gè)大晶體管之間大于1V。
V CEsat也取決于集電極電流和溫度。這種依賴性通常在數(shù)據(jù)表中以一組曲線的形式給出。
在飽和模式下，晶體管的功耗為
耗散功率= I C x V CEsat
但是，由于V CEsat通常很低，因此功耗也會(huì)很低。因此，截止和飽和是晶體管將消耗最低功率的兩個(gè)狀態(tài)。
現(xiàn)在著眼于晶體管的基極，設(shè)置I B的快速方法是假設(shè)V BE為0.7V。該值適用于大多數(shù)晶體管。
因此，在這種情況下，根據(jù)歐姆定律，
I B =（V BB – 0.7）/ R B
如果需要給定的I B值，則R B可計(jì)算為：
R B =（V BB – 0.7）/ I B
為了使晶體管飽和，所需的最小I B是將導(dǎo)致最大I C的值，給定的 晶體管的β值與電路條件有關(guān)。
實(shí)際上，該I B值應(yīng)比該最小值大大約10％到15％，以說(shuō)明β值在設(shè)備之間的變化。
圖3 –晶體管操作
從微控制器驅(qū)動(dòng)BJT
剛剛描述的實(shí)際上是一個(gè)低端NPN BJT開(kāi)關(guān)。如果V BB是微控制器的輸出引腳，則知道其邏輯高值，所需的負(fù)載電流和晶體管β值，就可以很容易地計(jì)算出R B的值。
要檢查的其他幾件事是要確保：
計(jì)算出的I B不超過(guò)微控制器的驅(qū)動(dòng)電流能力。
負(fù)載電流不超過(guò)晶體管的最大集電極電流。
飽和模式下的功耗不超過(guò)晶體管的最大功耗。
V CC電壓不超過(guò)晶體管的最大V CE。
以上示例中還應(yīng)包含一些安全性和降額裕度，以確保可靠的操作。大約20％是合理的。
使用達(dá)林頓駕駛重物
由于微控制器GPIO引腳的驅(qū)動(dòng)電流很少超過(guò)10mA，并且功率晶體管的晶體管最小值β通常不超過(guò)50，因此可以控制的最大電流約為500mA。
為了能夠控制更高的電流，可以采用達(dá)林頓裝置。達(dá)林頓封裝在一個(gè)封裝中，也可以用兩個(gè)晶體管組成，如圖4所示。
圖4 – NPN達(dá)靈頓
在這種布置中，Q1通常是低功率高增益晶體管，而Q2是高功率晶體管。假設(shè)暫時(shí)不存在電阻器R，那么可以看出所有Q1發(fā)射極電流都流入Q2的基極。
如前所述，發(fā)射極電流是集電極電流和基極電流之和。
所以， I E = I C + I B
從而， I E =βx I B + I B，或者I E =（β+ 1）I B
由于β很大，（β+1）接近于β。
這表示：
我é ≈我?
現(xiàn)在，由于Q1的I E直接流入Q2的基極，這意味著I C2，因此Q2的集電極電流由下式給出：
我C2 =β1×β2× IB1。
因此，較小的輸入基極電流會(huì)產(chǎn)生較大的輸出集電極電流。盡管有一些問(wèn)題需要注意。首先，該復(fù)合晶體管的V BE現(xiàn)在是兩個(gè)晶體管的V BE之和。如前所述，計(jì)算基極電阻值時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。
至于電阻器R，它會(huì)影響Q2的關(guān)斷時(shí)間。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，它的電荷流入其基極。現(xiàn)在，當(dāng)Q1的輸入變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，Q1關(guān)閉，并且Q2的基極中存儲(chǔ)的電荷無(wú)處可去。
它最終將通過(guò)稱為載流子重組的內(nèi)部過(guò)程而消失，但在此之前，Q2將保持導(dǎo)通狀態(tài)。根據(jù)晶體管的不同，這可能會(huì)持續(xù)幾微秒到幾十微秒。
本質(zhì)上，微控制器關(guān)閉其輸出，但之后負(fù)載仍會(huì)保持一段時(shí)間。R用于通過(guò)釋放存儲(chǔ)的基本電荷來(lái)加快Q2的關(guān)斷速度。
因此對(duì)于PWM等應(yīng)用，建議使用該電阻。對(duì)于大多數(shù)嵌入式應(yīng)用，介于1KΩ和5KΩ之間的值可以正常工作。
在正常操作下，R還會(huì)分流Q2的一些基極電流。該電流為（V BE2 / R）或大約0.7 / R。要抵消該電流，只需增加Q1的基極電流即可。由于該基本電流xβ1必須等于0.7 / R，因此Q1中的基本電流應(yīng)增加（0.7 /（β1x R））。
MOSFET低側(cè)開(kāi)關(guān)
與BJT一樣，MOSFET具有兩種基本形式：N溝道和P溝道。N溝道MOSFET與NPN相似，用于低側(cè)開(kāi)關(guān)。同樣，P溝道MOSFET與PNP BJT相似，用于高端開(kāi)關(guān)。
在滿足某些條件的情況下，N溝道增強(qiáng)型MOSFET相對(duì)容易連接至微控制器GPIO輸出引腳。
圖5顯示了這種類型的MOSFET，以及當(dāng)該器件被視為低端開(kāi)關(guān)時(shí)的一些更重要的方面。
圖5 – N溝道增強(qiáng)型MOSFET
當(dāng)在柵極和源極之間施加電壓時(shí)，如果電壓高于其數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的閾值電壓V th，則電流將開(kāi)始在其漏極和源極之間流動(dòng)。
高于該閾值時(shí)，V GS越高，漏極電流I D越大，直到V GS達(dá)到V GSMax為止（同樣由數(shù)據(jù)表給出）。I D與V GS由數(shù)據(jù)表中的一組曲線給出，并且，與BJT情況一樣，當(dāng)漏極電流達(dá)到電路條件允許的最大值時(shí)，MOSFET飽和。
由于MOSFET是壓控器件，因此幾乎不需要電流就能保持導(dǎo)通狀態(tài)。因此，來(lái)自微控制器的GPIO可以驅(qū)動(dòng)MOSFET，然后可以控制非常大的電流。不需要達(dá)林頓安排?？商峁┰?span>5V柵極驅(qū)動(dòng)條件下完全增強(qiáng)的低Vth MOSFET，從而可以控制幾個(gè)安培。
與BJT相比，MOSFET的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有V DS sat。取而代之的是，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，漏極-源極連接的行為類似于電阻器，其R DS的值是V GS的函數(shù)，對(duì)于功率MOSFET而言可能是非常低的值。
因此，MOSFET導(dǎo)通或增強(qiáng)時(shí)的功耗僅是（I D）2的值，其中I D是漏極電流乘以R DS，與電阻器中消耗的功率相同，R，通過(guò)電流I，由P = I 2 R給出。
因此，在許多情況下，飽和MOSFET的功耗要小于等效BJT的功耗。如果I D很高，則尤其如此。
要注意的一件事是，所有N-Ch MOSFET都具有內(nèi)置的襯底二極管，如圖5所示。這是MOSFET的固有結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，這意味著漏極必須比源更積極。否則該二極管將導(dǎo)通。
最后，MOSFET的一個(gè)大問(wèn)題是柵極-源極電容。對(duì)于功率MOSFET來(lái)說(shuō)，它可能很大— 3nF或更大的情況并不罕見(jiàn)。實(shí)際上，這意味著在MOSFET可以開(kāi)始導(dǎo)通之前，該柵極電容必須首先充電。鑒于大多數(shù)微控制器可以提供有限的電流，因此該電容器需要花費(fèi)一些時(shí)間才能充電。
因此，當(dāng)直接由微控制器的輸出驅(qū)動(dòng)時(shí)，MOSFET根本無(wú)法快速切換。因此，將MOSFET用于快速PWM可能無(wú)法工作。
在這種情況下，必須在GPIO引腳與MOSFET的柵極之間使用TI UCC27511之類的MOSFET驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)然，這比采用BJT的MOSFET本身就已經(jīng)較高的成本增加了更多成本。