ROHM SiC功率器件助力宝马新世代“Neue Klasse”电动动力总成

发布时间：2026-09-28 10:17
作者：AMEYA360
来源：ROHM
阅读量：139

　　中国上海，2026年9月24日——全球知名半导体制造商罗姆(总部位于日本京都市)今日宣布，其功率半导体解决方案已用于全球顶级汽车制造商宝马的电动汽车平台。在宝马提出的新世代电动平台“Neue Klasse”中，罗姆的SiC功率器件将助力电动动力总成系统进一步实现更高的效率、性能与可靠性。

ROHM SiC功率器件助力宝马新世代“Neue Klasse”电动动力总成

　　宝马的“Neue Klasse”中集成的罗姆SiC功率器件 助力下一代电动出行工具发展。© Copyright BMW AG

　　车载高性能SiC功率器件，不仅支撑着功率电子的主要功能，还要确保在严苛的车载环境下依然实现高能效和稳定运行。这有助于延长电动汽车的续航里程、提升其充电性能及整车能效。

　　罗姆半导体欧洲总裁Wolfram Harnack表示：

　　“罗姆的SiC MOSFET被应用于宝马集团提出的‘Neue Klasse’第六代技术，充分彰显了罗姆在车载电力电子领域的技术实力。能够通过SiC技术与宝马集团携手推动下一代电动出行的发展，我们深感自豪。同时，此次采用也印证了罗姆长期致力于通过高品质、高可靠性产品持续为车载领域客户提供支持的承诺。”

　　罗姆在车载功率半导体的开发与制造方面拥有丰富的经验。未来，罗姆将继续与全球各地的汽车制造商及一级供应商紧密合作，积极推动出行领域的电动化与脱碳进程。

ROHM SiC功率器件助力宝马新世代“Neue Klasse”电动动力总成


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　　低压差线性稳压器(以下简称LDO)是一种半导体器件，是在输入与输出的电压差较小的状态下也能工作的线性稳压器的统称。LDO的特点是即使输入与输出电压差很小仍能获得稳定的输出，因此被广泛应用于电池驱动的移动设备以及注重低功耗和小型化的应用场景中。具体而言，在直接由锂离子电池驱动电路时采用LDO就是一个典型的案例。　　本文我们将介绍LDO的工作原理与电路结构、设计时应考虑的规范和特性等内容，同时梳理在引入LDO时需要掌握的要点。　　什么是LDO?(定义和基本原理)　　LDO是一种即使在输入电压与输出电压之差(输入输出电压差)较小的情况下，仍能维持一定输出的线性稳压器。与普通的三端稳压器相比，其显著特点在于所需输入电压的裕量更小。本节我们将简要回顾LDO的定义和历史背景，并介绍其被众多设备广泛采用的原因。　　LDO的含义与由来(“Low Dropout”的词源与定义)　　LDO是“Low Dropout Regulator”的英文首字母缩写，表示其具有低压差。压差是指“维持稳定的稳压所需的最小输入电压与输出电压之差”。一般的传统线性稳压器通常需要比输出电压高数V的输入电压，而LDO可将这一差值控制在数百mV，有些产品甚至可至数十mV。大多数LDO内部包含通路元件(双极晶体管或MOSFET)、误差放大器及保护电路，能否满足各项规格(输入电压范围、输出电流范围等)是选型时的关键考量因素。　　例如，在需要3.3V的输出而输入仅为4.0V左右的条件下，LDO仍有可能稳定工作。这种“低压差”有助于提高电源效率并减少热损耗，因此在追求节能与小型化的设备中发挥着重要作用。　　与传统线性稳压器的区别　　线性稳压器通过内部的通路元件(晶体管等)将输入电压中多余的电压以热的形式耗散掉，从而实现稳定输出。传统线性稳压器在输入与输出电压差较大时较易于设计，但当输入输出电压差变小时，则难以正常工作。　　相比之下，LDO通过采用在线性(电阻)区域易于保持低导通电阻的晶体管等方式，使其即使在输入输出电压差很小时也能工作。具体而言，通过将双极晶体管或MOSFET以源极跟随器或射极跟随器等结构工作，可以将压差电压控制在数百mV以下。　　许多传统线性稳压器要求输入电压比输出电压高2V以上，其设计是以(输入电压 − 输出电压)较大的情况为前提的。而LDO即使在电池驱动等输入电压下降的应用中，仍易于保持额定输出直至极限状态，因而在节能与低发热等方面具有优势。　　LDO备受关注的理由(低压差、低功耗、小型化等)　　LDO受到关注的原因主要有以下几点：　　低功耗：压差电压越低，浪费的功耗就越少。　　热设计简化：通过抑制输入输出电压差，可减少产生的热量，有时使用小型散热片即可。　　小型化与电池工作：在移动设备等应用中，即使电池的电压下降，仍易于维持工作。　　噪声方面：与开关稳压器相比，不易产生高频噪声。　　因此，LDO被广泛应用于从电池驱动应用到通信设备以及工业设备等诸多领域。本节主要总结了概念性的理解，后续章节将进一步详细介绍其电路结构和工作原理。　　LDO的电路结构和工作原理　　LDO在通过反馈控制来保持输出电压稳定方面，与普通的线性稳压器相同。然而，为了将输入输出电压差控制得较小，在其内部结构、所用晶体管类型及保护功能等方面均采取了特殊设计。本节将介绍LDO的主要电路模块，并阐述其能够实现低压差的原理。　　主要模块(通路元件、误差放大器、保护功能)概述　　LDO的结构本身相对简单。通过组合以下主要模块来维持恒定的输出电压。　　通路元件(Pass Element)　　使用双极晶体管或MOSFET来控制从输入到输出的电流。近年来，也有很多LDO通过内置电荷泵或控制电路等特殊设计，使其即使在较低的栅源电压下也能驱动。　　误差放大器(Error Amplifier)　　监测输出并与参考电压进行比较，从而控制通路元件。其增益特性与响应速度对精度和瞬态响应有很大影响。　　保护功能　　内置过流保护、过热保护及反向电流保护等功能，确保LDO自身的安全性和对负载端的保护。　　压差电压的原理　　LDO特点——压差电压的定义为：通路元件在提供电流的同时能保持正常控制的最小输入输出电压差。例如，对于使用PNP晶体管的LDO，其发射极-集电极间电压与基极-发射极间电压在临近饱和状态工作时的总和会决定压差电压。其简单的模型公式如下所示。　　低噪声设计和反向电流保护的要点　　与开关稳压器相比，LDO具有高频噪声更少的优点。但是，根据通路元件的选择及内部电路结构的不同，双极晶体管的基极电流路径或参考电路的噪声也可能成为问题。设计时需要考虑的要点如下：　　旁路电容器　　在参考电路或误差放大器的电源引脚附近接入小容量电容器，以去除噪声。　　布局优化　　合理配置输入输出电容器，优化GND布线，以抑制尖峰和纹波。　　反向电流保护(Reverse Current Protection)　　若电流从电池反向流入稳压器，会导致误动作或损坏。可添加保护二极管或开关器件等进行防护。　　LDO的种类和主要参数　　LDO根据其内部所用元件和设计思路，可分为多种类型。同时，在选型时也存在一些需要共同评估的参数。本节将对LDO的代表性种类以及评估其性能时不可或缺的主要参数进行梳理介绍。　　按电压范围分类(高电压和低电压适用)　　LDO的特点是低压差，但其输入电压范围的跨度较大。例如，既有适用于5V以下工作的电池驱动的低电压LDO，也有适用于超过30V或40V高输入电压的车载及工业设备的LDO。支持高电压的LDO，其功率晶体管通常具有更高的耐压和更强的保护功能。而对于生成1V左右等超低电压领域的LDO，其在MOSFET的基础上对栅极驱动进行优化，从而将压差降至极限。　　低噪声、低静态电流、PSRR、线性调整率和负载调整率　　低噪声和低静态电流　　低噪声型　　适用于为模拟电路或无线电路供电等时，噪声对信号质量影响较大的应用场景。其设计降低了参考电路和误差放大器的噪声，并尽量抑制了通路元件的开关噪声。　　低静态电流(Iq)型　　目的是通过将待机时的消耗电流控制到很小来延长电池的驱动时间。有些产品通过小容量电容器和简化的内部电路结构，将静态电流控制在数µA以下。　　PSRR(Power Supply Ripple Rejection)　　PSRR是衡量输入侧的纹波或噪声有多大程度传递至输出侧的指标。通常以频率特性表示，尤其在数十kHz以上的高频区间的PSRR备受重视。例如，在音频电路或高精度模拟电路中，选择PSRR高的LDO可减少电源噪声的影响，有助于提高精度。其定义如下：　　负载响应　　负载电流骤变时输出电压波动的大小及恢复所需的时间。受误差放大器的速度、输出电容器的容量和内部电阻等因素影响。　　瞬态响应　　电压暂时出现过冲或下冲的现象。在需要高速响应的应用场景(如高速数字电路)中，可能成为大问题。　　启动特性　　LDO在通电时输出电压上升过程中的动作。为避免急剧上升对负载造成不良影响，部分产品具有软启动功能。　　近年来，还出现了将控制IC与周边电路集成于一体的LDO模块，这种减少电路板安装工序和外置元件选型工作量的方法备受关注。此类模块型产品的工作范围和散热设计明确，适合重视开发速度的应用场景。　　LDO与其他方式的比较及选型方法　　除了LDO之外，还有多种电压调节方式，每种方式各有其优缺点。本节将通过与经常被比较的开关稳压器和传统线性稳压器进行对比，重新确认LDO的特点，并梳理出不同应用场景的选型要点。　　开关稳压器 vs LDO(功耗和效率比较)　　开关稳压器通过脉宽调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)等方式使开关器件高速导通和关断，经由电感和电容器形成输出电压。代表性方式有降压(Buck)、升压(Boost)与升降压两用(Buck-Boost)等。在晶体管与二极管(或同步整流MOSFET)损耗更小时流通电流，从而实现高效率，效率超过80〜90%也并不罕见。　　另一方面，开关稳压器通常需要电感和大容量电容器等外置元件，占用安装空间且电路设计复杂。此外，高速开关容易引发噪声(EMI)与纹波，因此需考虑通过屏蔽或优化布局予以抑制。　　传统线性稳压器 vs LDO(与三端稳压器等的区别)　　传统线性稳压器设计时，通常要求输入电压留有约2～3V的裕量，并以通路元件在远离饱和区的状态下进行控制为前提。而LDO则通过将通路元件的工作点推至接近饱和的状态，从而成功地将压差控制到数百mV以下。　　通路元件的选择与结构　　传统线性稳压器为实现控制，通常在基极–发射极电压或集电极–发射极电压上留出一定裕量;而LDO通过采用MOSFET使其在栅源电压较小时也能工作，或通过电路设计使双极晶体管也允许在接近饱和状态下进行控制等，以此降低压差电压。　　反馈电路的优化　　传统线性稳压器的控制特性相对宽松，而LDO则通常通过优化误差放大器的偏置电压和内部参考源设计，确保在较低电压差下仍能实现稳定控制。　　应用领域的差异　　传统线性稳压器多用于将AC适配器等较高的输入电压降压并轻松实现稳压的应用场景，而LDO则在电池驱动或使用1～2V低电压的数字IC等要求低电压和低功耗的环境中更具发挥优势。　　不同应用场景中考虑的LDO选型要点　　LDO的主要选型要点如下：　　所需的输入输出电压差　　当电池的终止电压(最低电压)接近输出电压时，必须选择压差电压小的LDO。　　可容许的发热量　　由于LDO的(Vin – Vout)× Iout会转化为热，因此散热设计和封装的选择很重要。　　噪声敏感度　　在模拟电路或高频电路中，PSRR和低噪声特性尤为重要。　　消耗电流　　对于希望尽量降低待机电流的应用场景，优先选择低Iq型。　　负载波动和响应速度　　对于有急剧负载波动的电路，建议选用瞬态响应性能优异的LDO。　　LDO设计和安装中需掌握的关键要点　　在实际将LDO嵌入电路时，应参考产品规格书中推荐的元件和布局指南，进行满足各项特性的设计。本节将逐步介绍典型的设计流程和注意事项。　　电路示例和设计流程(基础设计～元件选型)　　LDO的设计流程大致遵循以下步骤：　　确认输入输出电压范围　　根据是电池驱动还是AC适配器等，掌握预期电源的最小和最大电压。　　确认所需的输出电流和负载特性　　掌握最大负载电流将达到多少A，并了解瞬时负载波动幅度。　　确认LDO候选产品　　参考产品规格书，寻找满足压差电压、PSRR、消耗电流、保护功能等要求的产品。　　选择外围元件　　由于输出电容器的容量和ESR范围直接关系到LDO工作的稳定性，务必确认制造商的推荐值。　　热设计　　结合封装和安装条件，计算(Vin – Vout)× Iout是否在容许范围内。必要时考虑扩大铜箔面积等散热措施。　　外围元件选型(输入与输出电容器、防反向电流二极管等)　　LDO的输出电容器对于确保相位补偿与误差放大器的稳定工作至关重要。产品规格书中通常会写明推荐容量和ESR范围，若偏离这些范围，可能导致振荡或瞬态响应恶化。　　输入电容器用于辅助瞬时电流供应以及抑制输入电源的纹波。通常采用数µF的陶瓷电容器，但若预计存在较大的负载波动，有时可追加更大容量的电容器。　　防反向电流二极管在存在电池等备份电源时需要考虑使用。在多电源切换的设计中，通常会加入二极管以防止电流通过LDO的通路元件发生反向流动。　　布局和布线的注意事项(噪声对策和GND布线等)　　虽说LDO基本上噪声较少，但仍建议在布局时注意以下事项：　　确保最短路径　　将输入电容器和输出电容器安装在LDO引脚附近，以减少不必要的布线电感和寄生电阻。　　统一管理GND布线　　根据需要将电源GND和信号GND分离，防止噪声混入测量系统。　　确保热扩散　　若有散热焊盘，应在电路板内层或背面设置过孔，以促进散热。　　保护功能的运用和电源时序(按需简要使用)　　LDO通常配备过流保护、过热保护等安全功能，但重要的是不要过度依赖这些功能，而应评估实际环境中可能出现的过载程度后进行选型。　　另外，对于多电压的CPU和FPGA等需要多路电源线按顺序启动时，有时会使用LDO的使能引脚进行时序控制。结合延时电路或微控制器控制，使所需电源适当启动，从而提升系统运行的可靠性。　　LDO的最新技术动向　　近年来，在LDO领域，针对更严苛的低功耗要求与缩减安装空间的需求日益增多，以下新的技术方案备受关注。这些技术通过实现“超小容量输出电容器的适用”和“高速负载响应性能的提升”，正在逐步克服传统LDO难以应对的难题。　　使用很小容量的电容器也能稳定工作的技术　　技术概要　　传统LDO为确保稳定工作，通常需要1µF左右的输出电容器。最近，通过对模拟电路寄生分量的彻底优化，改进误差放大器和布线，出现了使用nF量级的电容器也不会发生振荡的控制技术。　　主要优势　　减少元件数量和安装空间：可大幅减少输出电容器的容量与数量　　降低成本：通过电容器小型化或数量削减，有望降低成本　　提升可靠性：通过减少汽车与工业等领域中常用的电容器安装数量，降低元件故障风险和安装不良风险　　实现高速负载响应的技术　　技术概要　　为了在负载电流急剧变化时将输出电压的波动幅度控制在更小范围，已开发出提升LDO内部反馈电路与误差放大电路速度的技术。代表性的方法是通过将控制系统和补偿系统分离或组合多级专用放大器，从而在避免发生不稳定振荡的前提下，将响应速度提升至极限。　　主要优势　　提升电源品质：可迅速响应数字IC急剧的消耗电流变化和高精度模拟电路的瞬时负载波动　　优化电容器容量：即使不采用大容量电容器，也能获得足够的响应性能，从而提升设计灵活性　　持续演进与未来展望　　新技术的结合　　通过将“适用很小容量的电容器”和“高速负载响应技术”相结合，正逐步实现例如采用nF级电容器时，仍可在急剧的负载波动下保持稳定输出的LDO。　　应用领域的扩展　　物联网设备和可穿戴设备等需要兼顾低功耗和小型化的应用需求预计将持续增长。此外，在汽车和工业设备领域，不仅要求缩小安装空间，还需实现更高可靠性(满足温度特性和耐压等安全标准)，这使得配备上述先进技术的LDO受到越来越多的关注。　　各半导体制造商正不断扩充集成了多个电源线的模块化LDO以及实现系统整体节能的解决方案，其应用领域正在不断扩大。　　总结　　LDO能够在保持输入输出电压差较小的状态下工作，因体积小、低噪声、节能而被应用于各类设备。适用于移动设备、车载设备和工业设备等各种领域中需要低功耗和散热对策的电路。
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ROHM丨容性电路基础：从电容器的串联和并联加深理解
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ROHM丨容性电路基础：从电容器的串联和并联加深理解

　　容性电路是指利用电容器暂时储存电荷的特性，具有平滑电源电压的纹波、通过旁路高频噪声分量实现降噪、以及阻断直流仅耦合交流(信号分量)等功能的电路总称。恰当地连接和布置电容器，可降低高频区域的噪声并使电源更稳定。在实际设计中，为满足所需的容值、耐压和高频特性要求，常常将多个电容器通过串联或并联的方式组合，作为合成电容来处理，这也是理解容性电路的首要关键点。智能手机的触控屏和各种0滤波电路等，都是容性电路的典型应用实例。本文将先介绍合成容量(串联、并联)，随后展开讲解RC响应及容抗，从容性电路的物理原理到实际设计中的注意事项，系统性地进行阐述。　　容性电路基础　　电容器(Capacitor)是在“容性电路”中承担核心作用的元件。电容器具有储存电荷并形成电场的特性。在电路图中用两条平行线表示，其基本原理在于分离并存储电荷。通过考察电容器在从低频到高频的宽频率范围中的表现，可发挥其滤波、耦合、缓冲等多种作用。另外，电容器还具有对稳态直流不通导电流、仅对电压随时间变化时通导电流的特性。其结果是表现出阻断直流成分、通过交流成分的特性。　　电容的数学表达式、电容电压及单位　　通常，电容器的容量(电容量，Capacitance)被解释为“每1V电压下所能存储的电荷量”。用公式表示如下：　　C=Q/V其中，Q表示电容器内储存的电荷，vc表示电容器两端的电压(即电容电压)。因此，Q=C·vc(当电压随时间变化时，可写为Q(t)=C·vc(t)。在下文中，电源的直流电压写为VDC，交流电源写为vs(t)，电容器两端电压则作为vc(t)处理。　　当电容器的电压在交流电路中随时间变化时，其储存的电荷也会随之变化，表现为电容器引脚处流入或流出的电流(严格而言，并非电荷贯穿导体流动，而是体现为电荷的出入，即位移电流)。电容的单位是法拉(F)，但1F非常大，因此实际电路中常用的是纳法(nF)和微法(µF)等较小的单位。这很适合高频滤波和信号耦合等用途。　　电容器的串联、并联及合成电容　　在实际电路中，通常不会只使用一个电容器，而是会组合使用多个电容器，以获得所需的电容量和耐压能力。通过串联、并联或复合配置，可以调整电路的特性。　　串联连接　　当将电容器串联连接时，合成电容Ctotal将小于每个单个电容器的电容值。总电容可通过下面的公式求出：　　在串联连接时，电压会被分压施加到各个电容器上，因此在处理高电压的电路中，具有易于实现高耐压的优点。但是，如果各电容器的容量和漏电流特性不同，加在各个电容器上的电压就会不均匀，此时可能需要加装平衡电阻等。串联连接时，由于各电容器所储存的电荷Q相等，因此每个电容器的引脚电压为Vi =Q / Ci。所以，容量越小的电容器更越容易承受高电压，为了避免因电压波动或漏电流差异导致的过电压问题，有时会加入平衡电阻。　　并联连接　　并联连接的电容器组，各电容器的容量相加后的值即为整体的总合成电容：　　在串联连接时，电压会被分压施加到各个电容器上，因此在处理高电压的电路中，具有易于实现高耐压的优点。但是，如果各电容器的容量和漏电流特性不同，加在各个电容器上的电压就会不均匀，此时可能需要加装平衡电阻等。串联连接时，由于各电容器所储存的电荷Q相等，因此每个电容器的引脚电压为Vi =Q / Ci。所以，容量越小的电容器更越容易承受高电压，为了避免因电压波动或漏电流差异导致的过电压问题，有时会加入平衡电阻。　　并联连接　　并联连接的电容器组，各电容器的容量相加后的值即为整体的总合成电容：　　当需要实现更大的电容量，或希望结合使用不同种类的电容器以发挥其各自特性时，会采用并联连接的方式。在并联电路中，所有电容器都承受相同的电压，因此每个电容器承受的电压降与电源电压相同。　　在下文中，虽然公式中的C在有些情况下表示单体电容量;但如果是由串联或并联连接构成的电路，则请将合成容量Ctotal代入C进行解读。(这里的vc(t) 是指串联、并联连接“整体”的两端电压)　　直流电路中的容性电路分析　　用直流电源给电容器充电　　当将电容器连接到直流电源时，首先会进行充电过程。初始电容电压为0V时，与电源电压的差值最大，因此会流过串联电阻R限制范围内的较大电流。不久后，随着电容器开始积蓄电荷，其电压逐步上升，与电源电压之间的差(VDC − vc(t))逐渐缩小，因此dvc(t) / dt也随之减小，电流逐渐变小。电流可以用下面的公式来表示：　　其中，i(t)表示流入电容器引脚的瞬时电流(引脚电流)，C表示电容量，vc(t)表示电容电压。在充电初期阶段的特点是dvc(t) / dt较大，因而会有大电流通过。最终，当电容器被充电至电源电压时，电流几乎变为0，电容器对直流电源而言实际上表现为近似开路状态。　　在下文中，vc(t)定义为“+引脚电位、−引脚电位”，i(t) 以流入+引脚的方向为正方向。　　RC充电指数响应的推导步骤　　设基本充电电路为电阻R和电容C串联后与直流电源 VDC相连接的电路。　　根据基尔霍夫定律，电阻两端的电压i(t) × R与电容器电压vc(t)之和等于电源电压VDC。　　代入i(t) = C·dvc(t) / dt，建立微分方程。　　通过求解一阶线性微分方程，求得电容器电压vc(t) 。　　最终得到的电容电压如下：　　电容器向电阻负载放电　　与充电过程相反，当将初始电压为V0的电容器连接到电阻R时，电容电压vc(t) 呈指数规律下降。用公式表示如下：　　其中t =0的时刻电容电压为V0，随着时间的推移，电荷通过电阻被释放，最终趋近于0V。电流同样会呈指数规律衰减，当电容器所储存的电荷被耗尽后，电路最终进入稳态。　　另外，根据被动符号规则的定义(以流入+引脚的方向为正方向)，放电时dvc(t) < 0，因此i(t) = C·dvc(t) / dt为负值(若要将放电方向定义为正方向，则需将电流定义反转处理)。　　其中t =0的时刻电容电压为V0，随着时间的推移，电荷通过电阻被释放，最终趋近于0V。电流同样会呈指数规律衰减，当电容器所储存的电荷被耗尽后，电路最终进入稳态。　　另外，根据被动符号规则的定义(以流入+引脚的方向为正方向)，放电时dvc(t) < 0，因此i(t) = C·dvc(t) / dt为负值(若要将放电方向定义为正方向，则需将电流定义反转处理)。　　电容器在直流电路中的应用　　电容器在直流系统中一般有以下几种常见用法：　　平滑与滤波　　在电源电路中，在整流器之后配置电容器可降低纹波电压，从而可获得更稳定的直流输出。　　去耦　　在数字电路等应用中，为吸收因高速开关引起的局部电压下降，会设置电容器。　　备用电源　　大容量电容器也可用于在电源瞬间中断时，短时间内维持电路运行。　　容性电路和交流(AC)中的充电、相位角及波形　　前面了解了电容器在直流电路中的工作，接下来看在施加交流电压的环境下，电容器如何表现。交流电路中电压和电流呈正弦波或其他周期性波形，电容器连续进行反复充放电。　　在交流容性电路中的电荷反转与连续充放电　　假设交流电源vs(t) = Vm sin(ωt)等，电容器将不断重复“充电至电压达到峰值，当施加反向电压时放电”的循环。根据频率和电容器容量的不同，在一个周期内流过的电流大小和时序会有显著变化。高频时，通过电容器的电流趋于变大，而低频率时则趋于变小。这是因为电容器会以依赖于频率的“容抗”来抵抗(阻碍)电流。每当瞬时电压极性切换时，施加在电容器两端的电压就会发生变化，从而大大影响着电流的相位。　　容性电路中电压与电流的相位关系　　在纯容性电路(电源与电容器直接连接的理想C)中，由于vc(\(t|0) = vs(t) ，因此i(t) = C·dvc(t) / dt与i(t) = C·dvs(t) / dt具有相同的含义。另外，对于电容器而言，电流比电压超前90度。将其用公式表示，即为i(t) = C·dvC(t) / dt，这是因为电压变化率达到最大的瞬间正是电流达到峰值的时刻。反之，在电压达到最大值的瞬间，因为dvc(t) / dt = 0，因此电流变为零。　　理解交流电路中的容抗　　在交流电路中，除电阻R外，若存在电感L或电容C，则各个元件会表现出随频率而变化的“电抗”。对于电容器而言，这种电抗被称为“容抗”，其大小随频率f及电容量C的变化而变化。　　单位用欧姆(Ω)表示，但这不是电阻分量，而是依赖于频率的“电流通过难度”，在理想情况下不产生功耗，这一点与电阻不同。　　交流容性电路中的功率与能量　　理想的电容器在交流电通过时不会消耗功率(但瞬时功率会正负波动)。在实际电路中，在电容器与电源之间会不断交换能量，存在瞬时功率转移。通过正确理解这一点，便能看出功率因数改善和能源管理的重要性。　　交流电容器的能量存储与释放　　交流状态下的电容器，会在电压朝一个方向上升时储存能量，并在电压反转时将能量释放回电路，如此循环。首先，瞬间存储在电容器中的能量可以用下面的公式表示：　　由于vc(t)按正弦波(如Vm sin(ωt)等)变化，因此电压上升时电容器储存电荷，电压下降或极性反转时则发生放电。在理想的电容器中，一个周期内正负功率的平均值为零，因此从外部来看，其表现如同“未消耗能量”。　　然而，即使平均有功功率为0，电源与电容器之间能量仍会作为无功功率周期性地往复(超前无功功率)。这种往复电流若遇到布线电阻或ESR，将会导致损耗。　　瞬时功率的公式及其含义　　电路元件中的瞬时功率p(t) 可通过下面的公式表示：　　这样就可以得到在正负之间振荡的形式。对一个周期进行积分，理想情况下结果为0，因此不存在平均功耗。　　这种正负振荡的功率分量为无功功率，表示能量在电源与电容器之间周期性往复。通过接入电容器来抵消无功功率，即功率因数改善(PF补偿)的基本原理。　　能量的往复与频率依赖性　　容抗XC = 1/(ωC)随频率的升高而减小，因此频率越高，电容器就越容易通过电流。这是由于需要针对电压变化快速进行充放电，该特性被应用于功率因数改善(PF补偿)和降低纹波等用途。另一方面，当电容量较大时，瞬间交换的电荷量增加，因此由电阻、布线等因素引起的电压降和热损耗有时会变得不可忽视。通过考量这些现象，可以进行合理的滤波设计和电源设计。　　实际应用时的要点(设计与应用)　　功率因数校正：电容器能够提供超前无功功率，因此与具有滞后无功功率的感性负载配合使用时，可以改善整体的功率因数。　　滤波与谐振：在电感器与电容器组合而成的LC电路中，可以构成谐振电路，实现对特定频率的信号进行选择性通过或阻断。　　设计制约：实际的电容器中存在ESR(等效串联电阻)等，原本理想状态下不应消耗的能量会有一部分以热量形式损失掉，在大电流、高频环境下需要特别注意。　　因此，利用交流下电容器“暂时储存能量并释放能量”的特性，其在振荡控制、无功功率控制等电力电子领域中发挥着重要的作用。　　交流电容器电路中的设计考量事项　　工程师在将电容器用于电路时，需要从性能、可靠性和安全性等多个角度进行综合考量。这是从单纯的容性电路到复杂的交流电路中都需要面对的共同课题。　　发热与经年劣化　　电容器，尤其是铝电解电容器等产品，往往依赖于化学特性。在高温环境下，劣化速度加快，这会导致电容量下降和内阻增加。特别是在严苛的温度环境下使用时，需要充分考虑其额定温度和寿命特性。因经年劣化而无法维持原本的电容量时，会导致电源纹波抑制能力丧失，或引起时序电路失常。　　电路板布局与寄生分量　　在高频领域，电容器的引线、电路板走线的电感、电阻等会在意想不到之处产生寄生因素。这些因素会影响高频工作，并导致滤波特性和谐振频率偏移，因此需要紧凑且噪声干扰少的布局设计。另外，由于寄生分量可能导致局部电压下降和发热问题，因此合理的布局设计至关重要。　　总结：充分挖掘容性电路的潜力　　容性电路在电压与电流的关系上与其他无源元件大不相同，具有暂时储存并释放能量的性质。了解这些特性，可实现滤波电路、时许电路以及功率因数校正等多种多样的应用。　　还需要综合评估其在直流电路中呈指数规律的充放电、在交流电路中90度相位差及依赖频率的电抗、电容器的种类和连接方式、经年劣化等多方面因素。容性电路是电子电路与电力工程中的重要基础，在电源纹波抑制、高频滤波、信号耦合以及功率因数校正等广泛的实际应用领域中发挥着重要作用。　　通过运用仿真和实际设备装机测试，选择最佳的电容量、种类及安装方法，可实现兼顾可靠性与性能的电路设计。从单纯的容性电路去耦到承担功率因数校正功能的高级交流电容器电路，其根基在于“控制电流与电压的相位差，实现瞬时能量交换”的原理，深入理解这一原理对于所有工程师而言都是至关重要的。
2026-09-20 15:16 阅读量：322
ROHM丨低边开关的设计，NPN晶体管的电路设计
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ROHM丨低边开关的设计，NPN晶体管的电路设计

　　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
2026-09-17 15:39 阅读量：387
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