高溫環境對三極管性能的影響

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2022-03-17 08:47:10 10

具體是這樣的一個很簡單的串口RS485電路，具體電路如下圖所示，用了這個電路后就不要單獨信號去管理485芯片的收發分時了（是不是很方便，我也這么想的）。

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問題就是出現這這個電路上，我們做環境實驗的時候是在55度做的一點點問題都木有，該收收該發發，但是一到了用戶哪里工作一小會就掛了，啥也木的了，經過本人的現場排查（踩點），你知道用戶放在哪里嗎？他放在一個發熱量巨大的發動機旁邊（我TM，算了客戶是上帝）本人親自實際測了一下周圍環境溫度都48度以上，而且為了防塵，我的板卡和一個發熱巨大的主控放在一個盒子里面，而且還沒有風扇，這就導致盒子里面的溫度到了70多度（你們是要搞燒烤嗎），哪個安裝環境啊沒法說還不方便測量，我也很絕望啊，然后我靈機一動就對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高溫了會降頻，你是不是沒有配置好，導致收發有問題的（因為暫時我也不知道問題所在啊），然后小哥委屈說“沒有啥特殊的啊，我都快把手冊翻爛了也沒有看到啊”，我呢首先表達對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，我就用熱風槍使勁對著ARM吹，結果毛事沒有，好家伙，鍋是甩不掉了，剩下的電路一步一步的吹把，當吹到三極管時（圖中Q4）果然，沒得數據了，看來是三極管的事情，可是禍不單行啊，不吹后當溫度降下來了也沒得數據了，難道吹壞了？仔細一瞅，嘿把電阻給吹掉了（F***，在硬件的道路上一帆風順是不存在滴），焊上電阻后調小風量，加大熱度繼續吹，還是出事了，那就目標鎖定，測波形吧。

分別測量上圖中所標識的1、2、3點，其中電路設計中用的限流電阻為1K，三級管為9013。首先測量在常溫下三個測試點得波形吧，*點波形為隔離芯片ADuM1201輸出引腳，其波形如下圖所示，輸出電壓幅值為5V（忽略掉背景那個人影）。

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第二點波形為9013三級管基極控制電壓，其波形如下圖所示，輸出電壓峰值約為700mV，波動范圍約為200mV，即當電平為0.7V時三極管導通，當電平為0.5V時三級管關斷。

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

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

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那么繼續測量第二點吧，當繼續加熱到溫度約為55度時第二點波形如下圖所示，其電壓的波動范圍變小約為100mV即高電平減小到0.6V，但是低電平還是約為0.5V，隨著溫度的繼續升高當溫度到65度時第二點電壓基本保持在0.5V，且三極管保持導通狀態，因此RS485無法實現數據的發送。

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好了，第三點上線，當加熱到溫度約為55度時第三點波形如下圖所示，隨著溫度的升高第三點出電壓保持為低電平，RS485電路為接受狀態。

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我K這不是坑我嗎，讓我來瞅瞅這三極管的特性吧（誰讓我上學的時候沒有好好學習呢），三級管的物理結構為兩個PN結，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，因此三級管的導通壓降降低，使得控制MAX485芯片的RE引腳一直處于低電平，所以無法發送數據。

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既然知道溫度對三極管的影響了，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是因為5V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。

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改為0R限流電阻后，繼續加熱RS485電路，波形如下圖所示，可以看出波形無明顯變化，且串口可以正常發送數據。但由于三極管的基極將ADuM1201發送引腳強制拉倒0.7V，增大了ADuM1201的輸出電流，長期運行時會對器件壽命有嚴重影響，不改徹底了不是我的性格（主要是怕日后在找我麻煩）。

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為了徹底解決這個問題（一勞永逸）經過我苦思冥想（假的），根據三級管的溫度特性，導致了在高溫運行下基極門限電壓降低，若只是將ADuM1201輸出限流電阻減小會造成器件壽命減少影響產品質量，因此現將三極管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。

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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送數據。

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所以呢，在設計中我要有刨根問底（躲坑）的精神，把問題徹底解決了，這個案例是我親生經歷的一個案件，雖然不大但是很夠借鑒意義------得出的結論就就是：可以指導我們在以后硬件設計過程中若作為開關使用最好選擇MOS管，且合理選擇限流電阻。

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