低边开关是一种利用NPN晶体管控制负载与GND之间电流的电路。这种简单的电路结构,作为通过微控制器GPIO信号驱动继电器、电机等负载的基础解决方案,被广泛应用于工业设备和车载系统中。在低边开关中,尤其容易导致失效的因素有两个:使晶体管切实饱和的基极电阻值,以及针对感性负载的反电动势应对措施(例如二极管、钳位电路)。本文将以这两点为核心,梳理完成设计的整个过程,包括器件选型、损耗、发热、布线及实际装机验证等各个步骤。
01
NPN低边开关电路的结构
掌握整个电路的结构后,就可以清晰了解电流路径。通过先掌握结构,有助于理解设计参数对各部件的影响。
· 低边开关电路整体与电流流向
(电源→负载→NPN→GND/二极管的位置)
低边开关的基本结构是从电源正极引脚经过负载到达NPN晶体管集电极,再将发射极连接至负侧(GND)。电流路径为“电源(+V)→ 负载 → 集电极 → 发射极 → GND”。关于晶体管的结构和引脚功能,在“双极晶体管|工作原理及使用方法(NPN/PNP)”一文中已经结合电路符号一同进行了讲解。
微控制器和PLC的输出端经由基极电阻RB 连接至NPN晶体管的基极。当I/O引脚输出高电平(HIGH)时,产生基极电流IB,使基极-发射极结处于正向偏置状态。由此产生集电极电流IC,使负载开始工作。当I/O引脚输出低电平(LOW)时,基极电流几乎为零,集电极电流也被切断。另外,GPIO的“高电平(HIGH)输出电压”并不总是与VCC一致。在后续的基极电阻计算中,还需确认技术规格书中的VOH(min)(指定源极电流条件)和I/O电流上限。
驱动继电器、电磁阀等感性负载时,必须使用续流二极管,将其与负载并联,将阴极朝向电源侧(+V),阳极朝向晶体管侧(GND侧)进行连接。在晶体管关断的瞬间,线圈中积蓄的能量会形成向二极管侧循环的路径,从而防止晶体管承受过大的反向电压。在对传感器线圈和灯具的电机绕组进行开关时,也需要同样的权衡考虑。

低边开关与高边开关的定位
使用晶体管进行负载的开/关切换,有低边和高边两种配置方式。这两种配置的结构根据应用需求,各具优势。低边是将开关配置于负载GND侧的结构,高边是将开关配置于电源侧的结构。具体需要根据安全要求和测量需求来选择。
低边开关的优势在于,可以通过NPN晶体管实现,且能共用微控制器和GND,从而可简化驱动电路。通过1枚基极电阻,可直接通过微控制器输出进行驱动。但是,由于负载的GND侧电位处于浮动状态,在以GND为基准进行电流测量和构建保护电路时,需要特别注意。在注重成本的应用中,低边开关因其电路简洁性和元器件数量少而更具优势。
高边开关由于负载的GND侧始终与GND相连,因此有时在安全性和测量方面具备优势。然而,由于需要P沟道MOSFET(P沟道FET)、PNP晶体管或专用驱动器IC,其驱动电路更复杂。

02
NPN晶体管(双极晶体管)的
低边开关设计流程
设计从所要求的规格(负载电流、电源电压、GPIO规格)开始。只要按照流程逐步推进,即可完成从器件选型到确定电阻值的工作。在开始设计之前,先确定“将哪些条件(温度、电压、负载波动)作为最坏条件处理”,可以使后续的计算和评估更顺利,从而减少量产时的返工。低边开关因其电路本身较简单,因此前提条件的设定(将哪些值作为“最坏条件”处理)将直接影响设计的成败。
通过“晶体管详解:结构、分类及工作原理基础”可以宏观了解晶体管整体的定位及各类型的特点。
· 基于所要求的规格
确定IC、βforced、IB、RB 的步骤
按以下6个步骤进行设计。
1. 定义负载侧条件。
2. 确认候选晶体管的技术规格书。
3. 根据βforced确定基极电流IB的目标值。
4. 微控制器/PLC的I/O规格核对。
5. 计算基极电阻RB。
6. 确定候选器件。
按照这6个步骤,从负载条件出发,逐步确定所需的器件和常数。各步骤的计算示例会在后续章节中给出。产品确定后,将进入饱度确认阶段。
了解全部内容:
https://techclass.rohm.com.cn/knowledge/transistors/transistors-basic/23727

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