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敘三極管在開關電源中做開關的原理及設計方法（一）

來源：東莞市成良智能科技發(fā)布時間：2019-10-11 點擊量：1110

開關電源之三極管除了可以當做交流信號放大器之外，也可以做為開關之用。嚴格說起來，三極管與一般的機械接點式開關動作上并不完全相同，但是它卻具有一些機械式開關所沒有的特點。負載電阻被直接跨接于三極管的集電極與開關電源之間，而位居三極管主電流的回路上。

輸入電壓Vin則控制三極管開關的開啟（open）與閉合（closed）動作，當三極管呈開啟狀態(tài)時，負載電流便被阻斷，反之，當三極管呈閉合狀態(tài)時，電流便可以流通。詳細的說，當Vin為低電壓時，由于基極沒有電流，因此集電極亦無電流，致使連接于集電極端的負載亦沒有電流，而相當于開關的開啟，此時三極管乃勝作于截止（cut off）區(qū)。

同理，當Vin為高電壓時，由于有基極電流流動，因此使集電極流過更大的放大電流，因此負載回路便被導通，而相當于開關的閉合，此時三極管乃勝作于飽和區(qū)（saturation）。

1 開關電源之三極管開關電路的分析設計
由于對硅三極管而言，其基射極接面之正向偏壓值約為0.6伏特，因此欲使三極管截止，Vin必須低于0.6伏特，以使開關電源之三極管的基極電流為零。通常在設計時，為了可以更確定三極管必處于截止狀態(tài)起見，往往使Vin值低于 0.3伏特。當然輸入電壓愈接近零伏特便愈能保證三極管開關必處于截止狀態(tài)。欲將電流傳送到負載上，則開關電源之三極管的集電極與射極必須短路，就像機械開關的閉合動作一樣。

表現(xiàn)出了IC和IB之間的基本關系，式中的β值代表三極管的直流電流增益，對某些三極管而言，其交流β值和直流β值之間，有著甚大的差異。欲使開關閉合，則其Vin值必須夠高，以送出超過或等于式所要求的最低基極電流值。由于基極回路只是一個電阻和基射極接面的串聯(lián)電路，故Vin可由下式來求解：
一旦基極電壓超過或等于式所求得的數(shù)值，三極管便導通，使全部的供應電壓均跨在負載電阻上，而完成了開關的閉合動作。

開關電源之三極管接成電路之后，它的作用就和一只與負載相串聯(lián)的機械式開關一樣，而其啟閉開關的方式，則可以直接利用輸入電壓方便的控制，而不須采用機械式開關所常用的機械引動（mechanical actuator）﹑螺管柱塞（solenoid plunger）或電驛電樞（relay armature）等控制方式。

為了避免混淆起見，本文所介紹的開關電源之三極管開關均采用NPN三極管，當然NPN三極管亦可以被當作開關來使用，只是比較不常見罷了。欲利用開關電源之三極管開關來控制大到1.5A的負載電流之啟閉動作，只須要利用甚小的控制電壓和電流即可。此外，開關電源之三極管雖然流過大電流，卻不須要裝上散熱片，因為當負載電流流過時，三極管呈飽和狀態(tài)，其VCE趨近于零，所以其電流和電壓相乘的功率之非常小，根本不須要散熱片。

2 開關電源之三極管開關與機械式開關的比較
假設當三極管開關導通時，其基極與射極之間是完全短路的。事實并非如此，沒有任何三極管可以完全短路而使VCE=0，大多數(shù)的小信號硅質三極管在飽和時，VCE（飽和）值約為0.2伏特，縱使是專為開關應用而設計的交換三極管，其VCE（飽和）值頂多也只能低到0.1伏特左右，而且負載電流一高，VCE（飽和）值還會有些許的上升現(xiàn)象，雖然對大多數(shù)的分析計算而言，VCE（飽和）值可以不予考慮，但是在測試交換電路時，必須明白VCE（飽和）值并非真的是0。
雖然VCE（飽和）的電壓很小，本身微不足道，但是若將幾個三極管開關串接起來，其總和的壓降效應就很可觀了，不幸的是機械式的開關經(jīng)常是采用串接的方式來工作的，幸好三極管開關雖然不適用于串接方式，卻可以完美的適用于并接的工作方式。三極管開關和傳統(tǒng)的機械式開關相較，具有下列四大優(yōu)點﹕

（1）開關電源之三極管開關不具有活動接點部份，因此不致有磨損之慮，可以使用無限多次，一般的機械式開關，由于接點磨損，頂多只能使用數(shù)百萬次左右，而且其接點易受污損而影響工作，因此無法在臟亂的環(huán)境下運作，三極管開關既無接點又是密封的，因此無此顧慮。
（2）開關電源之三極管開關的動作速度較一般的開關為快，一般開關的啟閉時間是以毫秒（ms）來計算的，三極管開關則以微秒（μs）計。
（3）開關電源之三極管開關沒有躍動（bounce）現(xiàn)象。一般的機械式開關在導通的瞬間會有快速的連續(xù)啟閉動作，然后才能逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。
（4）利用開關電源之三極管開關來驅動電感性負載時，在開關開啟的瞬間，不致有火花產(chǎn)生。反之，當機械式開關開啟時，由于瞬間切斷了電感性負載樣上的電流，因此電感之瞬間感應電壓，將在接點上引起弧光，這種電弧非但會侵蝕接點的表面，亦可能造成干擾或危害。

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