晶體管或穩(wěn)壓器并聯(lián)后可以取消散熱器

引言

雙極結(jié)型晶體管(BJT)看起來(lái)像老式的電子元件，但由于具有低成本和卓越參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，它們可以解決許多問(wèn)題。我們可以發(fā)現(xiàn)過(guò)去由于這些元件太高成本而不可能實(shí)現(xiàn)的新應(yīng)用，比如我們可以在某些情況下用多個(gè)并聯(lián)的小功率晶體管替代更大功率的晶體管(帶或不帶散熱器)，并從中收獲諸多好處。

一般來(lái)說(shuō)，與更大功率特別是帶大塊散熱器的晶體管相比，小功率晶體管速度更快，具有更高的工作頻率、更低的噪聲、更小的總諧波失真，并且它們的封裝更方便人工和自動(dòng)焊接。

功耗最高1W左右的許多晶體管采用類(lèi)似于TO-92的封裝。這些晶體管大多數(shù)價(jià)格比較低，可以大批量購(gòu)買(mǎi)，而且TO-92那樣的封裝很方便使用。

從這些封裝產(chǎn)生的熱量很容易通過(guò)冷卻風(fēng)扇甚至正常的空氣對(duì)流高效地散發(fā)掉。另外，我們可以利用這些晶體管周邊較大的銅表面積提高它們的功耗。針對(duì)這些電子元件的不同封裝，它們的數(shù)據(jù)手冊(cè)和文獻(xiàn)資料中記錄有大量散熱信息和計(jì)算方法，因此我們這里不再詳細(xì)討論。

諸如TO-126、TO-220之類(lèi)的功率晶體管封裝又大又重，很難安裝在PCB上，而且為了發(fā)揮這些功率晶體管的全部性能和可靠性，還要額外使用散熱器。

這些封裝和散熱器會(huì)阻塞冷卻空氣的流動(dòng)，而且額外散熱器的使用會(huì)產(chǎn)生機(jī)械和電氣問(wèn)題，比如在振動(dòng)設(shè)備中散熱器不是很穩(wěn)定，它們需要電氣隔離等。

晶體管電路

讓我們考慮以下這些經(jīng)常在音頻驅(qū)動(dòng)器使用的NPN/PNP晶體管對(duì)：

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)

這些晶體管的其中一些參數(shù)可能在不同制造商那里有所不同，也有些參數(shù)可能所有制造商都不標(biāo)。

我們可以看到，兩個(gè)并聯(lián)BC639的功耗大約是1.6W，超過(guò)了單個(gè)BD135/137/139 1.25W的功耗。

另外，BC639/BC640對(duì)有保證的轉(zhuǎn)換頻率遠(yuǎn)高于BD139/BD140對(duì)的Ft (在數(shù)據(jù)手冊(cè)中并不總是有保證的)。小功率晶體管的直流增益通常遠(yuǎn)高于更大晶體管的增益。因此我們可以嘗試使用兩個(gè)或多個(gè)小功率晶體管代替帶或不帶小型散熱器的一個(gè)更大功率的晶體管。

圖1畫(huà)出了采用1個(gè)運(yùn)放(OA)和6個(gè)小功率晶體管的音頻放大器電路，它可以取代用一個(gè)運(yùn)放和一對(duì)不帶散熱器的更大功率晶體管(比如BD135/BD136)組成的放大器電路。

連接發(fā)射極的均衡電阻R6到R11是必須要的。這些電阻可以在一定程度上減小并聯(lián)晶體管之間的差異。它們的阻值通常在放大器公共負(fù)載的2%至10%之間。為了確保輸出電流在所有并聯(lián)晶體管之間得到合適的分配，應(yīng)該監(jiān)測(cè)這些電阻上的壓降。

電阻R5也是必須的，并且應(yīng)該具有最小的適用值。它能減小放大器的交越失真。

IC1可以是任何合適的放大器，如NE5534/A。最好是使用能夠驅(qū)動(dòng)至少600Ω負(fù)載的運(yùn)放。如果需要調(diào)整放大器的輸出偏移量，可以使用帶偏移調(diào)整引腳的運(yùn)放。

在運(yùn)放和晶體管不過(guò)載的條件下可以得到運(yùn)放的整個(gè)供電電壓范圍。

我們應(yīng)該注意到，許多運(yùn)放有很大的會(huì)使運(yùn)放發(fā)熱的靜態(tài)電流。舉例來(lái)說(shuō)：

NE5534/A的最大靜態(tài)電流Iqmax = 8mA,

LF355的最大靜態(tài)電流Iqmax = 4mA,

LF356的最大靜態(tài)電流Iqmax = 10mA,

NE5532的最大靜態(tài)電流Iqmax = 16mA,

RC4560的最大靜態(tài)電流Iqmax = 5.7mA,

如果我們?cè)?plusmn;15V或更高的電源電壓下使用這些和類(lèi)似的運(yùn)放，那么在沒(méi)有任何輸入信號(hào)的情況下這些運(yùn)放也會(huì)有顯著的功耗。對(duì)于采用表貼封裝的運(yùn)放來(lái)說(shuō)這種情況尤其糟糕，比如NE5532的功耗將達(dá)30V*16mA = 540mW，這一點(diǎn)應(yīng)該加以慎重考慮。

新加的高增益小功率晶體管要求運(yùn)放輸出很小的電流，因此可以降低運(yùn)放IC的散熱風(fēng)險(xiǎn)。事實(shí)上，這些新增晶體管還可以用來(lái)利用運(yùn)放的最大峰峰值電壓降低運(yùn)放IC的功耗，因?yàn)樗蜇?fù)載提供更小的輸出電流。

小功率晶體管的速度更快，并且基極-發(fā)射極結(jié)點(diǎn)中的閾值電壓也更低。它們通常是為前置放大器設(shè)計(jì)的，與更大功率的晶體管相比，用它們可以獲得更低的總諧波失真(THD)和互調(diào)失真(IMD)。小功率晶體管通常還具有更高的增益，增益范圍在400至800之間，這也是更低THD和IMD的一個(gè)原因。并聯(lián)更小功率的線性穩(wěn)壓器代替單個(gè)大功率穩(wěn)壓器

并聯(lián)使用更小功率的線性穩(wěn)壓器有許多好處。并聯(lián)小功率晶體管代替單個(gè)大功率晶體管(帶或不帶散熱器)的上述方法同樣適用于線性穩(wěn)壓器，如78xx、79xx、LM317x、LM337x和類(lèi)似器件。

圖2給出了4個(gè)采用TO-92封裝的78Lxx的并聯(lián)電路，它們可以代替單個(gè)采用TO-220或類(lèi)似封裝的78Mxx電路。不需要在每種情況下都使用C1到C8所有的電容。只要我們?cè)O(shè)計(jì)正確的PCB版圖，我們就可以在所有并聯(lián)穩(wěn)壓器組的輸入輸出端使用單個(gè)電解電容和單個(gè)高頻電容。然而，這些電容的使用取決于并聯(lián)IC的要求。在某些情況下我們應(yīng)該將這些電容緊靠每個(gè)IC放置。

圖2：4個(gè)采用TO-92封裝的78Lxx的并聯(lián)電路，可代替單個(gè)采用TO-220封裝的78Mxx電路。

電阻R1到R4是必須的。這些電阻的實(shí)際阻值取決于穩(wěn)壓器的容差，穩(wěn)壓器的數(shù)量、以及每個(gè)穩(wěn)壓器的平均輸出電流和最大輸出電流。

從這個(gè)角度看，最好是使用容差為±2%或更好的穩(wěn)壓器。

在這個(gè)案例中可以使用標(biāo)準(zhǔn)的R1至R4均衡電阻計(jì)算過(guò)程。舉例來(lái)說(shuō)，如果我們并聯(lián)使用兩個(gè)輸出電壓為15V±2%的78L15穩(wěn)壓器，這兩個(gè)穩(wěn)壓器的輸出電壓可能從14.7V至15.3V。

在最壞的情況下，第一個(gè)穩(wěn)壓器的輸出是15.3V，另一個(gè)穩(wěn)壓器的輸出是14.7V。

我們希望兩個(gè)穩(wěn)壓器的輸出電流都在它們各自的最大電流以下，比如每個(gè)穩(wěn)壓器在100mA以下。

如果均衡電阻阻值為10Ω，穩(wěn)壓器最大輸出電流為100mA，那么第一個(gè)穩(wěn)壓器在輸出電壓為14.3V時(shí)將產(chǎn)生100mA電流，第二個(gè)穩(wěn)壓器輸出同樣14.3V電壓時(shí)將在負(fù)載上產(chǎn)生40mA電流。(只是為了參考，我們可以認(rèn)為15V±10%是從13.5V至16.5V，15V±5%是從14.25V至15.75V。)

此外，第一個(gè)穩(wěn)壓器將產(chǎn)生更多的熱量，其輸出電壓將因?yàn)檩敵鲭妷壕哂胸?fù)溫度系數(shù)而下降。因此第一個(gè)穩(wěn)壓器將產(chǎn)生不到100mA的電流，第二個(gè)穩(wěn)壓器將產(chǎn)生超過(guò)40mA的電流?？傊?，兩個(gè)穩(wěn)壓器將在14.3V或更高電壓時(shí)產(chǎn)生至少140mA的電流。

雖然兩個(gè)穩(wěn)壓器沒(méi)有相同的輸出電流，但這不是問(wèn)題，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)過(guò)載，而且我們使用的是比78M15體積更小、價(jià)格更低的穩(wěn)壓器78L15。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，如果其中一個(gè)穩(wěn)壓器因?yàn)槟硞€(gè)原因出現(xiàn)了開(kāi)路故障，那么另外一個(gè)穩(wěn)壓器還可以工作一段時(shí)間。

本文小結(jié)

這篇短文建議考慮使用多個(gè)并聯(lián)的小功率晶體管或小功率穩(wěn)壓器或其它小功率元件代替需要額外散熱器的單個(gè)大功率晶體管或大功率穩(wěn)壓器。

當(dāng)使用運(yùn)放時(shí)這種并聯(lián)方案更具優(yōu)勢(shì)。將多個(gè)運(yùn)放并聯(lián)起來(lái)使用有許多好處，還可以降低每個(gè)運(yùn)放的功耗。

這種方法也適用于線性穩(wěn)壓器，如78xx、79xx、LM317x、LM337x和類(lèi)似器件。

這種方法有極多優(yōu)點(diǎn)，上面提到了一些，比如：

*更容易組裝更小、更便宜和更快的元件，

*可以獲得更好的組裝力阻

*可以將均衡電阻用于診斷目的，比如測(cè)量并聯(lián)元件之間的電流等

需要時(shí)我們可以使用并聯(lián)的達(dá)林頓晶體管。

在系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)經(jīng)常會(huì)有一個(gè)或多個(gè)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的冷卻風(fēng)扇。在這種情況下，使用像TO-92這樣不帶散熱器的大量更小封裝也更有利，因?yàn)楦》庋b對(duì)冷卻空氣流動(dòng)的阻礙更小。我們還可以從封裝的四面八方散發(fā)電子元件產(chǎn)生的熱量，從而提高PCB上所有元件的冷卻效率。

安裝更小封裝的PCB開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)要比安裝帶或不帶散熱器的更大功率和更重封裝的PCB開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)容易得多。

安裝更小封裝的PCB能夠更好地承受機(jī)械振動(dòng)和沖擊，這點(diǎn)對(duì)移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)尤其重要。