高溫環(huán)境影響三極管性能的案例

當(dāng)自己設(shè)計(jì)完的電路板通過了功能測(cè)試、性能測(cè)試、環(huán)境實(shí)驗(yàn)后，以為這樣就萬事大吉了?但是你永遠(yuǎn)也想象不到用戶會(huì)把產(chǎn)品用在什么地方，本文介紹高溫環(huán)境影響三極管性能，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品失靈的案例。

案例始末

發(fā)現(xiàn)問題

具體是這樣的一個(gè)很簡(jiǎn)單的串口RS485電路，具體電路如下圖所示，用了這個(gè)電路后就不要單獨(dú)信號(hào)去管理485芯片的收發(fā)分時(shí)了，是不是很方便。

問題就是出現(xiàn)這這個(gè)電路上。

開發(fā)完電路之后，測(cè)試時(shí)做環(huán)境實(shí)驗(yàn)在55度做的，一點(diǎn)點(diǎn)問題都木有，該收收該發(fā)發(fā)。

但是一到了用戶哪里工作一小會(huì)就掛了。

現(xiàn)場(chǎng)排查，發(fā)現(xiàn)用戶把產(chǎn)品放在一個(gè)發(fā)熱量巨大的發(fā)動(dòng)機(jī)旁邊。實(shí)際測(cè)了一下周圍環(huán)境溫度都48度以上。

為了防塵，我的板卡和一個(gè)發(fā)熱巨大的主控放在一個(gè)盒子里面，而且還沒有風(fēng)扇，這就導(dǎo)致盒子里面的溫度到了70多度，你們是要搞燒烤嗎?

暫時(shí)我也不知道問題所在，就靈機(jī)一動(dòng)就對(duì)身后的嵌入式軟件小哥說，是不是你軟件配置有問題，人家ARM高溫了會(huì)降頻，你是不是沒有配置好，導(dǎo)致收發(fā)有問題的。小哥委屈說“沒有啥特殊的啊，我都快把手冊(cè)翻爛了也沒有看到啊”。我首先表達(dá)對(duì)其深深的同情，然后說“哥回去幫你好好想哪里出問題了”。

回到公司后，我就用熱風(fēng)槍使勁對(duì)著ARM芯片吹，結(jié)果毛事沒有，好家伙，鍋是甩不掉了，剩下的電路一步一步的吹把，當(dāng)吹到三極管時(shí)(上面電路圖中的Q4)，沒得數(shù)據(jù)了，看來是三極管的事情，可是禍不單行啊，不吹后當(dāng)溫度降下來了也沒得數(shù)據(jù)了，難道吹壞了?仔細(xì)一瞅，原來把電阻給吹掉了。

焊上電阻后調(diào)小風(fēng)量，加大熱度繼續(xù)吹，又沒數(shù)據(jù)了，那就把目標(biāo)鎖定在三極管。

分析原因

接下來，測(cè)波形吧。

分別測(cè)量上圖中所標(biāo)識(shí)的1、2、3點(diǎn)，其中電路設(shè)計(jì)中用的限流電阻為1K，三級(jí)管為9013。首先測(cè)量在常溫下三個(gè)測(cè)試點(diǎn)的波形吧，第一點(diǎn)波形為隔離芯片ADuM1201輸出引腳，其波形如下圖所示，輸出電壓幅值為5V。

第二點(diǎn)波形為9013三級(jí)管基極控制電壓，其波形如下圖所示，輸出電壓峰值約為700mV，波動(dòng)范圍約為200mV，即當(dāng)電平為0.7V時(shí)三極管導(dǎo)通，當(dāng)電平為0.5V時(shí)三級(jí)管關(guān)斷。

第三點(diǎn)波形為9013三級(jí)管集電極極電壓，其波形如下圖所示，輸出電壓幅值約為5V。

然后本人吹風(fēng)小能手上線，對(duì)著就是一頓蒙吹，另一個(gè)手還要測(cè)波形，幸好沒有燙出泡(不然就算工傷)從新測(cè)量了上述三個(gè)測(cè)量點(diǎn)，第一點(diǎn)的波形如下圖所示，波形和加熱前波形基本一致，所以即加熱并不會(huì)改變ADuM1201隔離芯片的輸出電壓特性。

那么繼續(xù)測(cè)量第二點(diǎn)吧，當(dāng)繼續(xù)加熱到溫度約為55度時(shí)第二點(diǎn)波形如下圖所示，其電壓的波動(dòng)范圍變小約為100mV即高電平減小到0.6V，但是低電平還是約為0.5V，隨著溫度的繼續(xù)升高當(dāng)溫度到65度時(shí)第二點(diǎn)電壓基本保持在0.5V，且三極管保持導(dǎo)通狀態(tài)，因此RS485無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

好了，第三點(diǎn)上線，當(dāng)加熱到溫度約為55度時(shí)第三點(diǎn)波形如下圖所示，隨著溫度的升高第三點(diǎn)出電壓保持為低電平，RS485電路為接受狀態(tài)。

我K這不是坑我嗎，讓我來瞅瞅這三極管的特性吧(誰讓我上學(xué)的時(shí)候沒有好好學(xué)習(xí)呢)，三級(jí)管的物理結(jié)構(gòu)為兩個(gè)PN結(jié)，其Ube電壓特性如下圖所示，其開啟電壓約為0.7V，而且基極與發(fā)射電壓特性與二極管特性相同。右下圖可以知道隨著溫度的升高，Ube的特性曲線整體右移，因此三級(jí)管的導(dǎo)通壓降降低，使得控制MAX485芯片的RE引腳一直處于低電平，所以無法發(fā)送數(shù)據(jù)。

既然知道溫度對(duì)三極管的影響了，那我改唄，由上面的分析可以知道，最終三極管基極鉗位到0.5V是因?yàn)?V上拉10K電阻與1K限流電阻分壓后將三極管基極鉗位到0.5V。將限流電阻R65改為0R后波形如下圖所示，可以看出電壓波形在0V到0.7V之間波動(dòng)。

改為0R限流電阻后，繼續(xù)加熱RS485電路，波形如下圖所示，可以看出波形無明顯變化，且串口可以正常發(fā)送數(shù)據(jù)。但由于三極管的基極將ADuM1201發(fā)送引腳強(qiáng)制拉倒0.7V，增大了ADuM1201的輸出電流，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)器件壽命有嚴(yán)重影響，不改徹底了不是我的性格。

解決問題

根據(jù)三級(jí)管的溫度特性，導(dǎo)致了在高溫運(yùn)行下基極門限電壓降低，若只是將ADuM1201輸出限流電阻減小會(huì)造成器件壽命減少影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此現(xiàn)將三極管9013改為MOS管GMS2302，由于MOS管為壓控型器件其本身不會(huì)消耗太多功耗。

MOS管GMS2302常溫下柵極電壓波形如下圖所示，可以看出波形范圍為0V到5V。

MOS管GMS2302溫度約為80下柵極電壓波形如下圖所示，其電壓波形無變化且串口可以正常發(fā)送數(shù)據(jù)。

所以呢，在設(shè)計(jì)中我要有刨根問底(躲坑)的精神，把問題徹底解決了，這個(gè)案例是我親生經(jīng)歷的一個(gè)案件，雖然不大但是很夠借鑒意義------得出的結(jié)論就就是：可以指導(dǎo)我們?cè)谝院?a target="_blank">硬件設(shè)計(jì)過程中若作為開關(guān)使用最好選擇MOS管，且合理選擇限流電阻。

其他解決方式

溫度對(duì)PN結(jié)有影響，實(shí)際上案例如果驅(qū)動(dòng)是推挽輸出，電路圖中的R56去掉應(yīng)該也行，這樣就不必?fù)Q成MOS管了。

另外還可以把這電阻改用作下拉呢。

再者，還可以把R56改成驅(qū)動(dòng)輸出的上拉，也可以試試。

審核編輯：湯梓紅