用于放大小信号或切换较小电流的低功率器件

作者：Elizabeth Simon

如果我们需要切换更大的电流，那么我们将需要使用更大的晶体管，这意味着物理上更大的封装，可以更轻松地散热。

讨论双极结型晶体管（BJT）时的重点是用于放大小信号或切换较小电流的低功率器件，但是如果要切换较大电流该怎么办？毕竟，我们可能要对微处理器进行的操作之一是使用输出来运行直流电动机或激活螺线管。我们上次讨论的2N3904仅限于200mA集电极电流。不需要太多的电动机或螺线管即可。

晶体管电路打开螺线管（模型在LTspice中绘制，来源：Elizabeth Simon）

答案应该很明显。我们需要使用更大的晶体管。通常，采用TO-92封装的设备不能散发很多功率，因此，当我说“更大”时，我指的是物理上较大的封装，它们可以更容易地散热（即，较低的热阻）。

例如，让我们看一下意法半导体（ST Microelectronics）的STD1802晶体管的数据表。像往常一样，建议您打印此数据表或在屏幕上打开它，以使其更易于遵循下面的讨论。

这部分包装在DPAK盒中。这是一种表面贴装设备（SMD），在一侧有一个大凸耳，在另一侧有两条引线（和第三根引线）。大凸耳在零件下方延伸，并提供了一种有效的方法来散热器件。这种封装类型的接线片旨在不依赖于连接外部散热器，而是旨在焊接到PCB上。然后，使用PCB上的铜区域将热量散布到器件上。

在数据表的第2页上，我们看到这些晶体管具有60V的最大集电极-发射极电压，最大集电极电流为3A（峰值为6A）。这些等级应该能够处理大多数任务。当然，我们必须牢记15W的最大功耗。但是请稍等一下，在15°C的条件下，TC=25ºC或更低。提醒一下，TC通常是指外壳温度，通常高于环境温度（特别是如果您要耗散任何功率）。

只是为了好玩，让我们看一下热阻，看看它如何与最大功率耗散相匹配。我们得到的唯一热阻是结到外壳。这就是我们进行此特定计算所需要的（尽管，正如我们将看到的，总体上它用处不大）。提醒一下，计算结温的公式如下：



代入后，我们得到TJ= 25 + 15 * 8.33 =149.95ºC，该温度刚好低于最高结温150ºC。

当然，我们仍然不知道在室温下实际耗散多少功率，因为这取决于外壳温度，该温度可能高于环境空气温度。有一个图形（第4页的图2）告诉我们可以耗散最大功率的百分比，但这也基于外壳温度。要真正知道我们可以耗散多少功率，我们需要找到一个应用笔记或一些类似的东西，以使我们了解情况与环境之间可能存在的差异。

之前，我提到过DPAK的功能之一是可以使用板上的铜散热片。这是一个复杂的主题，但是我能够找到这本英飞凌的特殊主题书。我还找到了此《国际整流器》应用笔记和《ST微电子》应用笔记。

ST Microelectronics应用笔记是针对MOSFET的，但它具有该BJT部件使用的DPAK封装的特定信息（我们将“漏极焊盘”替换为“集电极焊盘”，我们应该非常接近）。

如果要继续学习，DPAK部分将从ST应用笔记的第5页开始。首先，它们显示了DPAK的建议PCB占位面积，然后显示了RθJ-PCB与漏极焊盘面积的关系图。在建议的最小占位面积（约50mm2）下，看起来PCB的热阻约为62ºC/ W。下一页的功耗计算显示最大功耗为2.4W，但这是假定TJMAX为175ºC。由于我们的TJMAX为150ºC。最大功耗为Pd = 125/62 = 2.02W。

这比数据手册暗示的15W值小得多。PCB温度应接近环境温度，因此这可能是我们可以真正消散的良好估计。如果我们需要耗散更多功率怎么办？根据此应用笔记，如果我们增加漏极焊盘的尺寸，我们可以增加功耗。幸运的是，此应用笔记包括一个漂亮的图表（图4），该图表给出了不同结至环境温度差和漏极焊盘面积的允许功耗。

（来源：意法半导体（ST Microelectronics）应用笔记）

这些图显示的一件事是，尽管焊盘面积的增加会增加功耗，但您很快就会达到收益递减的地步。查看该图，我看到所示的最大功耗为5W，看来我们这部分的最大功耗将约为3.8W，所有这些都意味着我们仍远未达到数据上所示的15W。床单。

这种指定最大功率耗散的方式让我觉得有些欺骗。容易引起粗心的工程师相信他们可以在需要消耗大约15 W功率的设计中使用该零件。这个故事的寓意是仔细阅读规格书并在可能的情况下进行“合理性检查”（因为我们刚刚）。

但是，我们真的需要消耗那么多的功率来打开螺线管吗？假设我们将切换一个2A负载，并且该晶体管将处于“关断”或完全饱和的状态。从数据表中可以看到，在2A时最大的集电极-发射极饱和电压为300mV。因此，我们可以乘以电压降和电流来获得功率（2A * 300mV = 600mW）。没问题吧？

好吧，如果我们再仔细看一下表，我们会发现IB为100mA，在下一行，VBE为1.2V。我们需要将基础电流消耗的功率（100mA * 1.2V = 120mW）加到我们的总功率中。这意味着我们的总功耗为600 + 120 = 720mW，这比我们之前讨论的15W小得多，也比我们使用应用笔记计算出的2W小得多。

因此，既然我们已经确定这可能是一个合适的晶体管，让我们对前面显示的原理图进行仿真，如下所示：

运行SPICE模拟的结果（来源：Elizabeth Simon）

从仿真结果看，很明显，该电路还有其他一些问题需要解决。首先，我们看到，当晶体管关闭时，输出电压峰值超过70V，超过了60V的最大集电极-发射极最大额定电压。可以通过添加缓冲电路来轻松解决此问题。另一个问题是，我们需要大约100mA的电流来驱动基极以导通晶体管。我不知道任何能驱动这么大电流的微处理器。