晶體管輸出的優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)驅(qū)動器件的類型，PLC的輸出可以分為繼電器輸出和晶體管輸出；對于繼電器輸出，從繼電器線圈得電／失電，到繼電器的觸點(diǎn)真正可靠吸合/斷開，至有有幾毫秒甚至幾十毫秒的延時，因此，繼電器不適用于開關(guān)頻率達(dá)到幾十Hz以上的負(fù)載。

繼電器觸點(diǎn)的通斷是由機(jī)械彈片受彈力和磁力的作用做機(jī)械運(yùn)動實(shí)現(xiàn)。

工作一段時間之后，彈片和彈簧疲勞最終會失效，所以繼電器有機(jī)械壽命的限制。

繼電器的機(jī)械壽命一般為10萬次。

與繼電器相比，晶體管具有開關(guān)速度快，沒有使用壽命限制、可以無限次開關(guān)等特點(diǎn)；

所以，晶體管輸出的PLC也在工控領(lǐng)域被大量使用，其一般用于高速開關(guān)的使用場景，比如LED的調(diào)光、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、溫度的PID控制等；

也用于開關(guān)頻繁的使用場景，比如用于控制幾秒開關(guān)一次的電磁閥，或者幾秒運(yùn)行一次的產(chǎn)線機(jī)臺等，對于這種使用場景，通常也會采用晶體管輸出的PLC外接繼電器來控制負(fù)載。

當(dāng)外接繼電器達(dá)到機(jī)械壽命之后，只需要更換外接繼電器，而不需要更換整個PLC，既簡便又節(jié)省成本；

晶體管輸出的驅(qū)動電路

我們有一款16進(jìn)16出的晶體管輸出的PLC，其輸出驅(qū)動電路如下圖：

輸出驅(qū)動電路

這個電路有以下特點(diǎn)：

1)晶體管采用N溝道的場效應(yīng)管NCV8401，該器件自帶短路、過熱、過壓保護(hù)；

2)通過PNP三極管Q1提供5V的上拉電壓；

單片機(jī)輸出高阻時，上拉電壓通過R5,R7施加到Q2的門極，從而可以使得場效應(yīng)管的驅(qū)動電壓達(dá)到5V；

跟單片機(jī)直接輸出3.3V相比，可以大大降低導(dǎo)通電阻；

而STM32F103處理器的IO口容忍5V電壓，不至于被損壞。

3)5V的上拉電壓由單片機(jī)5VCON控制；

由于泄流電阻R1的存在，使得PLC在上電時，Q1不會被誤導(dǎo)通‘；

同樣由于R2的存在，使得處理器的端口在上電處于高阻狀態(tài)、上拉電壓5Ｖ未被打開時時，Q1的門極電壓為低電壓，而非不確定的高阻態(tài)，避免了Q1的誤導(dǎo)通；

另外，16路輸出可以共用該上拉控制電路，節(jié)省了器件、占用面積和成本；

LED用于輸出指示，當(dāng)輸出閉合時，LED被點(diǎn)亮，

電阻R4是LED的泄流電阻，避免輸出斷開時，LED被流過Q2的漏電流誤點(diǎn)亮。

功耗計(jì)算

和三極管一樣，場效應(yīng)管也有截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)；

流過漏極和源極的電壓受門極和源極之間的電壓控制，

在開啟過程中，隨著門極電壓的上升，流過門極和源極的電流也不斷增加，最后達(dá)到飽和狀態(tài)，不再增加。

在關(guān)閉過程中，隨著門極電壓的下降，流過門極和源極的電流也不斷降低，最后進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，沒有電流流過門極和源極；

門極電壓和上升和下降速度受門極和源極之間的結(jié)電容和寄生電容的影響；

在開啟過程中，其等效電路為：

開啟過程中的等效電路圖

上拉電壓5V通過R5、R7向電容CJ充電；

在關(guān)閉過程中，其等效電路為：

關(guān)閉過程中的等效電路圖

結(jié)電容通過R7向單片機(jī)輸出的地放電；

由于該電路中，場效應(yīng)管的驅(qū)動電路的輸出電阻分別為R5+R7(開啟)以及R7(關(guān)閉)，而不是低電阻的強(qiáng)推挽驅(qū)動；

導(dǎo)致在開關(guān)過程中，由于電流和電壓重疊過程中所引起的開關(guān)功耗比較大，尤其需要深入分析；

結(jié)電容以100pF來計(jì)算，

充電時間常數(shù)為0.405us，即從0V上升到3.16V耗時0.405us，可認(rèn)為3.16V時，場效應(yīng)管完全導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻達(dá)到了通態(tài)時的數(shù)值。

放電時間常數(shù)為0.075us，即從5V下降到1.83V耗時0.075us，可認(rèn)為1.83V時，場效應(yīng)管已經(jīng)截止。

整個開關(guān)過程中的電壓、電流波形如下：

在一個開關(guān)周期內(nèi)的電壓、電流波形

如上圖所示，紅色為電流波形，綠色為電壓波形；

在一個開關(guān)周期內(nèi)，電壓和電流的波形分為4個時期：

在t1時間，場效應(yīng)管經(jīng)過從截止區(qū)->放大區(qū)->飽和區(qū)的過程，電流從0增大到飽和電流，電壓從電源電壓到導(dǎo)通電壓；

在t2區(qū)，場效應(yīng)管工作于飽和區(qū)，電流為飽和電流，電壓為導(dǎo)通電壓；

在t3區(qū)，場效應(yīng)管經(jīng)過從飽和區(qū)->放大區(qū)->截止區(qū)的過程， 電流從飽和電壓減到0,電壓從導(dǎo)通電壓增大到電源電壓；

在t4區(qū)，場效應(yīng)管工作于截止區(qū)，沒有電流流過場效應(yīng)管；

如果負(fù)載的工作電流為I，負(fù)載的電源電壓為V，開關(guān)的周期為T，則可以算出在一個周期內(nèi)的平均功率為：

P=(1/2IVt1+RDS(on)IIt2+1/2IV*t3)'/T；

開關(guān)頻率越高，功耗越大。

功耗和溫升估算

我們在產(chǎn)品規(guī)格書中承諾的輸出驅(qū)動電流為5A，最高工作電壓為24V，最高開關(guān)頻率為10KHz。

如下圖所示的導(dǎo)通電壓與溫度、門極-源極電壓的關(guān)系，在工作溫度為85°C、門極-源極電壓為5V時，導(dǎo)通電阻約為40mΩ。

導(dǎo)通電壓與溫度、門極-源極電壓關(guān)系

對于50%的占空比，代入功率計(jì)算公式，得到：

P=(1/25240.405+550.04(50-0.405-0.075)+1/21024*0.075)/100；

P=0.79W，其中由導(dǎo)通電阻引起的功耗為0.5W，開關(guān)過程引起的功耗約為0.29W。

根據(jù)NCV8401的熱阻與PCB銅箔的關(guān)系，如下圖：

熱阻與PCB銅箔的關(guān)系

焊接場效應(yīng)管的銅箔厚度為1Oz，面積為300平方毫米，對應(yīng)熱阻為60°C/W。

產(chǎn)生的溫升為：0.79W*60°C/W=47.4°C。

環(huán)境溫度為85°C時，場效應(yīng)管的溫度可能達(dá)到85°C+47.4°C=132.4°C，還達(dá)不到過溫保護(hù)的溫度。

審核編輯：湯梓紅