PLC晶體管輸出的驅(qū)動電路分析

晶體管輸出的優(yōu)點

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。

繼電器觸點的通斷是由機械彈片受彈力和磁力的作用做機械運動實現(xiàn)。

工作一段時間之后，彈片和彈簧疲勞最終會失效，所以繼電器有機械壽命的限制。

繼電器的機械壽命一般為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；

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，或者幾秒運行一次的產(chǎn)線機臺等，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：

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的漏電流誤點亮。

功耗計算

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