DQZHAN技術(shù)訊：電氣百科：晶體管或穩(wěn)壓器并聯(lián)后可以取消散熱器
雙極結(jié)型晶體管(BJT)看起來像老式的電子元件，但由于具有低成本和**參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，它們可以解決許多問題。我們可以發(fā)現(xiàn)過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。
一般來說，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焊接。
功耗*高1W左右的許多晶體管采用類似于TO-92的封裝。這些晶體管大多數(shù)價格比較低，可以大批量購買，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冷卻風(fēng)扇甚至正常的空氣對流高效地散發(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。針對這些電子元件的不同封裝，它們的數(shù)據(jù)手冊和文獻(xiàn)資料中記錄有大量散熱信息和計算方法，因此我們這里不再詳細(xì)討論。
諸如TO-126、TO-220之類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阻塞冷卻空氣的流動，而且額外散熱器的使用會產(chǎn)生機(jī)械和電氣問題，比如在振動設(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)動器使用的NPN/PNP晶體管對：
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，兩個并聯(lián)BC639的功耗大約是1.6W，超過了單個BD135/137/139 1.25W的功耗。
另外，BC639/BC640對有保證的轉(zhuǎn)換頻率遠(yuǎn)高于BD139/BD140對的Ft (在數(shù)據(jù)手冊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或多個小功率晶體管代替帶或不帶小型散熱器的一個更大功率的晶體管。
圖1畫出了采用1個運(yùn)放(OA)和6個小功率晶體管的音頻放大器電路，它可以取代用一個運(yùn)放和一對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。
圖1 1個運(yùn)放和6個小功率晶體管的電路代替一個運(yùn)放加兩個更大功率晶體管組成的電路
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)測這些電阻上的壓降。
電阻R5也是必須的，并且應(yīng)該具有*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。*好是使用能夠驅(qū)動至少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)放和晶體管不過載的條件下可以得到運(yùn)放的整個供電電壓范圍。
我們應(yīng)該注意到，許多運(yùn)放有很大的會使運(yùn)放發(fā)熱的靜態(tài)電流。舉例來說：
NE5534/A的*大靜態(tài)電流Iqmax = 8mA,
LF355的*大靜態(tài)電流Iqmax = 4mA,
LF356的*大靜態(tài)電流Iqmax = 10mA,
NE5532的*大靜態(tài)電流Iqmax = 16mA,
RC4560的*大靜態(tài)電流Iqmax = 5.7mA,
如果我們在±15V或更高的電源電壓下使用這些和類似的運(yùn)放，那么在沒有任何輸入信號的情況下這些運(yùn)放也會有顯著的功耗。對于采用表貼封裝的運(yùn)放來說這種情況尤其糟糕，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。事實(shí)上，這些新增晶體管還可以用來利用運(yùn)放的*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的一個原因。并聯(lián)更小功率的線性穩(wěn)壓器代替單個大功率穩(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和類似器件。
圖2給出了4個采用TO-92封裝的78Lxx的并聯(lián)電路，它們可以代替單個采用TO-220或類似封裝的78Mxx電路。不需要在每種情況下都使用C1到C8所有的電容。只要我們設(shè)計正確的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電解電容和單個高頻電容。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IC放置。
圖2 4個采用TO-92封裝的78Lxx的并聯(lián)電路，可代替單個采用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、以及每個穩(wěn)壓器的平均輸出電流和*大輸出電流。
從這個角度看，*好是使用容差為±2%或更好的穩(wěn)壓器。
在這個案例中可以使用標(biāo)準(zhǔn)的R1至R4均衡電阻計算過程。舉例來說，如果我們并聯(lián)使用兩個輸出電壓為15V±2%的78L15穩(wěn)壓器，這兩個穩(wěn)壓器的輸出電壓可能從14.7V至15.3V。
在*壞的情況下，**個穩(wěn)壓器的輸出是15.3V，另一個穩(wěn)壓器的輸出是14.7V。
我們希望兩個穩(wěn)壓器的輸出電流都在它們各自的*大電流以下，比如每個穩(wěn)壓器在100mA以下。
如果均衡電阻阻值為10Ω，穩(wěn)壓器*大輸出電流為100mA，那么**個穩(wěn)壓器在輸出電壓為14.3V時將產(chǎn)生100mA電流，**個穩(wěn)壓器輸出同樣14.3V電壓時將在負(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，**個穩(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**個穩(wěn)壓器將產(chǎn)生不到100mA的電流，**個穩(wěn)壓器將產(chǎn)生超過40mA的電流。總之，兩個穩(wěn)壓器將在14.3V或更高電壓時產(chǎn)生至少140mA的電流。
雖然兩個穩(wěn)壓器沒有相同的輸出電流，但這不是問題，因?yàn)樗鼈儾粫^載，而且我們使用的是比78M15體積更小、價格更低的穩(wěn)壓器78L15。另外一個優(yōu)點(diǎn)是，如果其中一個穩(wěn)壓器因?yàn)槟硞€原因出現(xiàn)了開路故障，那么另外一個穩(wěn)壓器還可以工作一段時間。
本文小結(jié)
這篇短文建議考慮使用多個并聯(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大功率晶體管或大功率穩(wěn)壓器。
當(dāng)使用運(yùn)放時這種并聯(lián)方案更具優(yōu)勢。將多個運(yùn)放并聯(lián)起來使用有許多好處，還可以降低每個運(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，比如測量并聯(lián)元件之間的電流等
需要時我們可以使用并聯(lián)的達(dá)林頓晶體管。
在系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)經(jīng)常會有一個或多個長期運(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對冷卻空氣流動的阻礙更小。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)械振動和沖擊，這點(diǎn)對移動設(shè)備來說尤其重要。
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