PLC晶体管输出的驱动电路分析

晶体管输出的优点

根据驱动器件的类型，PLC的输出可以分为继电器输出和晶体管输出；对于继电器输出，从继电器线圈得电／失电，到继电器的触点真正可靠吸合/断开，至有有几毫秒甚至几十毫秒的延时，因此，继电器不适用于开关频率达到几十Hz以上的负载。

继电器触点的通断是由机械弹片受弹力和磁力的作用做机械运动实现。

工作一段时间之后，弹片和弹簧疲劳最终会失效，所以继电器有机械寿命的限制。

继电器的机械寿命一般为10万次。

与继电器相比，晶体管具有开关速度快，没有使用寿命限制、可以无限次开关等特点；

所以，晶体管输出的PLC也在工控领域被大量使用，其一般用于高速开关的使用场景，比如LED的调光、步进电机驱动、温度的PID控制等；

也用于开关频繁的使用场景，比如用于控制几秒开关一次的电磁阀，或者几秒运行一次的产线机台等，对于这种使用场景，通常也会采用晶体管输出的PLC外接继电器来控制负载。

当外接继电器达到机械寿命之后，只需要更换外接继电器，而不需要更换整个PLC，既简便又节省成本；

晶体管输出的驱动电路

我们有一款16进16出的晶体管输出的PLC，其输出驱动电路如下图：

输出驱动电路

这个电路有以下特点：

1)晶体管采用N沟道的场效应管NCV8401，该器件自带短路、过热、过压保护；

2)通过PNP三极管Q1提供5V的上拉电压；

单片机输出高阻时，上拉电压通过R5,R7施加到Q2的门极，从而可以使得场效应管的驱动电压达到5V；

跟单片机直接输出3.3V相比，可以大大降低导通电阻；

而STM32F103处理器的IO口容忍5V电压，不至于被损坏。

3)5V的上拉电压由单片机5VCON控制；

由于泄流电阻R1的存在，使得PLC在上电时，Q1不会被误导通‘；

同样由于R2的存在，使得处理器的端口在上电处于高阻状态、上拉电压5Ｖ未被打开时时，Q1的门极电压为低电压，而非不确定的高阻态，避免了Q1的误导通；

另外，16路输出可以共用该上拉控制电路，节省了器件、占用面积和成本；

LED用于输出指示，当输出闭合时，LED被点亮，

电阻R4是LED的泄流电阻，避免输出断开时，LED被流过Q2的漏电流误点亮。

功耗计算

和三极管一样，场效应管也有截止区、放大区和饱和区；

流过漏极和源极的电压受门极和源极之间的电压控制，

在开启过程中，随着门极电压的上升，流过门极和源极的电流也不断增加，最后达到饱和状态，不再增加。

在关闭过程中，随着门极电压的下降，流过门极和源极的电流也不断降低，最后进入截止状态，没有电流流过门极和源极；

门极电压和上升和下降速度受门极和源极之间的结电容和寄生电容的影响；

在开启过程中，其等效电路为：

开启过程中的等效电路图

上拉电压5V通过R5、R7向电容CJ充电；

在关闭过程中，其等效电路为：

关闭过程中的等效电路图

结电容通过R7向单片机输出的地放电；

由于该电路中，场效应管的驱动电路的输出电阻分别为R5+R7(开启)以及R7(关闭)，而不是低电阻的强推挽驱动；

导致在开关过程中，由于电流和电压重叠过程中所引起的开关功耗比较大，尤其需要深入分析；

结电容以100pF来计算，

充电时间常数为0.405us，即从0V上升到3.16V耗时0.405us，可认为3.16V时，场效应管完全导通，导通电阻达到了通态时的数值。

放电时间常数为0.075us，即从5V下降到1.83V耗时0.075us，可认为1.83V时，场效应管已经截止。

整个开关过程中的电压、电流波形如下：

在一个开关周期内的电压、电流波形

如上图所示，红色为电流波形，绿色为电压波形；

在一个开关周期内，电压和电流的波形分为4个时期：

在t1时间，场效应管经过从截止区->放大区->饱和区的过程，电流从0增大到饱和电流，电压从电源电压到导通电压；

在t2区，场效应管工作于饱和区，电流为饱和电流，电压为导通电压；

在t3区，场效应管经过从饱和区->放大区->截止区的过程， 电流从饱和电压减到0,电压从导通电压增大到电源电压；

在t4区，场效应管工作于截止区，没有电流流过场效应管；

如果负载的工作电流为I，负载的电源电压为V，开关的周期为T，则可以算出在一个周期内的平均功率为：

P=(1/2IVt1+RDS(on)IIt2+1/2IV*t3)'/T；

开关频率越高，功耗越大。

功耗和温升估算

我们在产品规格书中承诺的输出驱动电流为5A，最高工作电压为24V，最高开关频率为10KHz。

如下图所示的导通电压与温度、门极-源极电压的关系，在工作温度为85°C、门极-源极电压为5V时，导通电阻约为40mΩ。

导通电压与温度、门极-源极电压关系

对于50%的占空比，代入功率计算公式，得到：

P=(1/25240.405+550.04(50-0.405-0.075)+1/21024*0.075)/100；

P=0.79W，其中由导通电阻引起的功耗为0.5W，开关过程引起的功耗约为0.29W。

根据NCV8401的热阻与PCB铜箔的关系，如下图：

热阻与PCB铜箔的关系

焊接场效应管的铜箔厚度为1Oz，面积为300平方毫米，对应热阻为60°C/W。

产生的温升为：0.79W*60°C/W=47.4°C。

环境温度为85°C时，场效应管的温度可能达到85°C+47.4°C=132.4°C，还达不到过温保护的温度。

审核编辑：汤梓红