晶体管或稳压器并联后可以取消散热器

2015-03-29 15:56:22来源: 互联网
引言

双极结型晶体管(BJT)看起来像老式的电子元件,但由于具有低成本和卓越参数的优点,它们可以解决许多问题。我们可以发现过去由于这些元件太高成本而不可能实现的新应用,比如我们可以在某些情况下用多个并联的小功率晶体管替代更大功率的晶体管(带或不带散热器),并从中收获诸多好处。

一般来说,与更大功率特别是带大块散热器的晶体管相比,小功率晶体管速度更快,具有更高的工作频率、更低的噪声、更小的总谐波失真,并且它们的封装更方便人工和自动焊接。

功耗最高1W左右的许多晶体管采用类似于TO-92的封装。这些晶体管大多数价格比较低,可以大批量购买,而且TO-92那样的封装很方便使用。

从这些封装产生的热量很容易通过冷却风扇甚至正常的空气对流高效地散发掉。另外,我们可以利用这些晶体管周边较大的铜表面积提高它们的功耗。针对这些电子元件的不同封装,它们的数据手册和文献资料中记录有大量散热信息和计算方法,因此我们这里不再详细讨论。

诸如TO-126、TO-220之类的功率晶体管封装又大又重,很难安装在PCB上,而且为了发挥这些功率晶体管的全部性能和可靠性,还要额外使用散热器。

这些封装和散热器会阻塞冷却空气的流动,而且额外散热器的使用会产生机械和电气问题,比如在振动设备中散热器不是很稳定,它们需要电气隔离等。

晶体管电路

让我们考虑以下这些经常在音频驱动器使用的NPN/PNP晶体管对:

TIP29/TIP30 (NPN/PNP, 40V, 1A, 2W, Ftmin = 3MHz, TO-220),

BD139/BD140 (NPN/PNP, 80V, 1.5A, 1.25W, Ftmin >3MHz or not specified, TO-126)

BC639/BC640 (NPN/PNP, 80V, 1A, 0.8W, Ft=130MHz/50MHz, TO-92)

BC327/BC337 (NPN/PNP, 45V, 0.8A, 0.625W, Ft(typ). 100MHz/100MHz, TO-92)

BC550/BC560 (NPN/PNP, 45V, 0.1A, 0.5W, Ftmin =100MHz/100MHz, TO-92)

这些晶体管的其中一些参数可能在不同制造商那里有所不同,也有些参数可能所有制造商都不标。

我们可以看到,两个并联BC639的功耗大约是1.6W,超过了单个BD135/137/139 1.25W的功耗。

另外,BC639/BC640对有保证的转换频率远高于BD139/BD140对的Ft (在数据手册中并不总是有保证的)。小功率晶体管的直流增益通常远高于更大晶体管的增益。因此我们可以尝试使用两个或多个小功率晶体管代替带或不带小型散热器的一个更大功率的晶体管。

图1画出了采用1个运放(OA)和6个小功率晶体管的音频放大器电路,它可以取代用一个运放和一对不带散热器的更大功率晶体管(比如BD135/BD136)组成的放大器电路。

 

 

连接发射极的均衡电阻R6到R11是必须要的。这些电阻可以在一定程度上减小并联晶体管之间的差异。它们的阻值通常在放大器公共负载的2%至10%之间。为了确保输出电流在所有并联晶体管之间得到合适的分配,应该监测这些电阻上的压降。

电阻R5也是必须的,并且应该具有最小的适用值。它能减小放大器的交越失真。

IC1可以是任何合适的放大器,如NE5534/A。最好是使用能够驱动至少600Ω负载的运放。如果需要调整放大器的输出偏移量,可以使用带偏移调整引脚的运放。

在运放和晶体管不过载的条件下可以得到运放的整个供电电压范围。

我们应该注意到,许多运放有很大的会使运放发热的静态电流。举例来说:

NE5534/A的最大静态电流Iqmax = 8mA,

LF355的最大静态电流Iqmax = 4mA,

LF356的最大静态电流Iqmax = 10mA,

NE5532的最大静态电流Iqmax = 16mA,

RC4560的最大静态电流Iqmax = 5.7mA,

如果我们在±15V或更高的电源电压下使用这些和类似的运放,那么在没有任何输入信号的情况下这些运放也会有显著的功耗。对于采用表贴封装的运放来说这种情况尤其糟糕,比如NE5532的功耗将达30V*16mA = 540mW,这一点应该加以慎重考虑。

新加的高增益小功率晶体管要求运放输出很小的电流,因此可以降低运放IC的散热风险。事实上,这些新增晶体管还可以用来利用运放的最大峰峰值电压降低运放IC的功耗,因为它向负载提供更小的输出电流。

小功率晶体管的速度更快,并且基极-发射极结点中的阈值电压也更低。它们通常是为前置放大器设计的,与更大功率的晶体管相比,用它们可以获得更低的总谐波失真(THD)和互调失真(IMD)。小功率晶体管通常还具有更高的增益,增益范围在400至800之间,这也是更低THD和IMD的一个原因。并联更小功率的线性稳压器代替单个大功率稳压器

并联使用更小功率的线性稳压器有许多好处。并联小功率晶体管代替单个大功率晶体管(带或不带散热器)的上述方法同样适用于线性稳压器,如78xx、79xx、LM317x、LM337x和类似器件。

图2给出了4个采用TO-92封装的78Lxx的并联电路,它们可以代替单个采用TO-220或类似封装的78Mxx电路。不需要在每种情况下都使用C1到C8所有的电容。只要我们设计正确的PCB版图,我们就可以在所有并联稳压器组的输入输出端使用单个电解电容和单个高频电容。然而,这些电容的使用取决于并联IC的要求。在某些情况下我们应该将这些电容紧靠每个IC放置。

 

 

图2:4个采用TO-92封装的78Lxx的并联电路,可代替单个采用TO-220封装的78Mxx电路。

电阻R1到R4是必须的。这些电阻的实际阻值取决于稳压器的容差,稳压器的数量、以及每个稳压器的平均输出电流和最大输出电流。

从这个角度看,最好是使用容差为±2%或更好的稳压器。

在这个案例中可以使用标准的R1至R4均衡电阻计算过程。举例来说,如果我们并联使用两个输出电压为15V±2%的78L15稳压器,这两个稳压器的输出电压可能从14.7V至15.3V。

在最坏的情况下,第一个稳压器的输出是15.3V,另一个稳压器的输出是14.7V。

我们希望两个稳压器的输出电流都在它们各自的最大电流以下,比如每个稳压器在100mA以下。

如果均衡电阻阻值为10Ω,稳压器最大输出电流为100mA,那么第一个稳压器在输出电压为14.3V时将产生100mA电流,第二个稳压器输出同样14.3V电压时将在负载上产生40mA电流。(只是为了参考,我们可以认为15V±10%是从13.5V至16.5V,15V±5%是从14.25V至15.75V。)

此外,第一个稳压器将产生更多的热量,其输出电压将因为输出电压具有负温度系数而下降。因此第一个稳压器将产生不到100mA的电流,第二个稳压器将产生超过40mA的电流。总之,两个稳压器将在14.3V或更高电压时产生至少140mA的电流。

虽然两个稳压器没有相同的输出电流,但这不是问题,因为它们不会过载,而且我们使用的是比78M15体积更小、价格更低的稳压器78L15。另外一个优点是,如果其中一个稳压器因为某个原因出现了开路故障,那么另外一个稳压器还可以工作一段时间。

本文小结

这篇短文建议考虑使用多个并联的小功率晶体管或小功率稳压器或其它小功率元件代替需要额外散热器的单个大功率晶体管或大功率稳压器。

当使用运放时这种并联方案更具优势。将多个运放并联起来使用有许多好处,还可以降低每个运放的功耗。

这种方法也适用于线性稳压器,如78xx、79xx、LM317x、LM337x和类似器件。

这种方法有极多优点,上面提到了一些,比如:

*更容易组装更小、更便宜和更快的元件,

*可以获得更好的组装力阻

*可以将均衡电阻用于诊断目的,比如测量并联元件之间的电流等

需要时我们可以使用并联的达林顿晶体管。

在系统机箱内经常会有一个或多个长期运转的冷却风扇。在这种情况下,使用像TO-92这样不带散热器的大量更小封装也更有利,因为更小封装对冷却空气流动的阻碍更小。我们还可以从封装的四面八方散发电子元件产生的热量,从而提高PCB上所有元件的冷却效率。

安装更小封装的PCB开发和生产要比安装带或不带散热器的更大功率和更重封装的PCB开发和生产容易得多。

安装更小封装的PCB能够更好地承受机械振动和冲击,这点对移动设备来说尤其重要。

关键字:晶体管  稳压器

编辑:探路者 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/dygl/2015/0329/article_26020.html
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