高温环境影响三极管性能的案例

当自己设计完的电路板通过了功能测试、性能测试、环境实验后，以为这样就万事大吉了?但是你永远也想象不到用户会把产品用在什么地方，本文介绍高温环境影响三极管性能，进而导致产品失灵的案例。

案例始末

发现问题

具体是这样的一个很简单的串口RS485电路，具体电路如下图所示，用了这个电路后就不要单独信号去管理485芯片的收发分时了，是不是很方便。

问题就是出现这这个电路上。

开发完电路之后，测试时做环境实验在55度做的，一点点问题都木有，该收收该发发。

但是一到了用户哪里工作一小会就挂了。

现场排查，发现用户把产品放在一个发热量巨大的发动机旁边。实际测了一下周围环境温度都48度以上。

为了防尘，我的板卡和一个发热巨大的主控放在一个盒子里面，而且还没有风扇，这就导致盒子里面的温度到了70多度，你们是要搞烧烤吗?

暂时我也不知道问题所在，就灵机一动就对身后的嵌入式软件小哥说，是不是你软件配置有问题，人家ARM高温了会降频，你是不是没有配置好，导致收发有问题的。小哥委屈说“没有啥特殊的啊，我都快把手册翻烂了也没有看到啊”。我首先表达对其深深的同情，然后说“哥回去帮你好好想哪里出问题了”。

回到公司后，我就用热风枪使劲对着ARM芯片吹，结果毛事没有，好家伙，锅是甩不掉了，剩下的电路一步一步的吹把，当吹到三极管时(上面电路图中的Q4)，没得数据了，看来是三极管的事情，可是祸不单行啊，不吹后当温度降下来了也没得数据了，难道吹坏了?仔细一瞅，原来把电阻给吹掉了。

焊上电阻后调小风量，加大热度继续吹，又没数据了，那就把目标锁定在三极管。

分析原因

接下来，测波形吧。

分别测量上图中所标识的1、2、3点，其中电路设计中用的限流电阻为1K，三级管为9013。首先测量在常温下三个测试点的波形吧，第一点波形为隔离芯片ADuM1201输出引脚，其波形如下图所示，输出电压幅值为5V。

第二点波形为9013三级管基极控制电压，其波形如下图所示，输出电压峰值约为700mV，波动范围约为200mV，即当电平为0.7V时三极管导通，当电平为0.5V时三级管关断。

第三点波形为9013三级管集电极极电压，其波形如下图所示，输出电压幅值约为5V。

然后本人吹风小能手上线，对着就是一顿蒙吹，另一个手还要测波形，幸好没有烫出泡(不然就算工伤)从新测量了上述三个测量点，第一点的波形如下图所示，波形和加热前波形基本一致，所以即加热并不会改变ADuM1201隔离芯片的输出电压特性。

那么继续测量第二点吧，当继续加热到温度约为55度时第二点波形如下图所示，其电压的波动范围变小约为100mV即高电平减小到0.6V，但是低电平还是约为0.5V，随着温度的继续升高当温度到65度时第二点电压基本保持在0.5V，且三极管保持导通状态，因此RS485无法实现数据的发送。

好了，第三点上线，当加热到温度约为55度时第三点波形如下图所示，随着温度的升高第三点出电压保持为低电平，RS485电路为接受状态。

我K这不是坑我吗，让我来瞅瞅这三极管的特性吧(谁让我上学的时候没有好好学习呢)，三级管的物理结构为两个PN结，其Ube电压特性如下图所示，其开启电压约为0.7V，而且基极与发射电压特性与二极管特性相同。右下图可以知道随着温度的升高，Ube的特性曲线整体右移，因此三级管的导通压降降低，使得控制MAX485芯片的RE引脚一直处于低电平，所以无法发送数据。

既然知道温度对三极管的影响了，那我改呗，由上面的分析可以知道，最终三极管基极钳位到0.5V是因为5V上拉10K电阻与1K限流电阻分压后将三极管基极钳位到0.5V。将限流电阻R65改为0R后波形如下图所示，可以看出电压波形在0V到0.7V之间波动。

改为0R限流电阻后，继续加热RS485电路，波形如下图所示，可以看出波形无明显变化，且串口可以正常发送数据。但由于三极管的基极将ADuM1201发送引脚强制拉倒0.7V，增大了ADuM1201的输出电流，长期运行时会对器件寿命有严重影响，不改彻底了不是我的性格。

解决问题

根据三级管的温度特性，导致了在高温运行下基极门限电压降低，若只是将ADuM1201输出限流电阻减小会造成器件寿命减少影响产品质量，因此现将三极管9013改为MOS管GMS2302，由于MOS管为压控型器件其本身不会消耗太多功耗。

MOS管GMS2302常温下栅极电压波形如下图所示，可以看出波形范围为0V到5V。

MOS管GMS2302温度约为80下栅极电压波形如下图所示，其电压波形无变化且串口可以正常发送数据。

所以呢，在设计中我要有刨根问底(躲坑)的精神，把问题彻底解决了，这个案例是我亲生经历的一个案件，虽然不大但是很够借鉴意义------得出的结论就就是：可以指导我们在以后硬件设计过程中若作为开关使用最好选择MOS管，且合理选择限流电阻。

其他解决方式

温度对PN结有影响，实际上案例如果驱动是推挽输出，电路图中的R56去掉应该也行，这样就不必换成MOS管了。

另外还可以把这电阻改用作下拉呢。

再者，还可以把R56改成驱动输出的上拉，也可以试试。

审核编辑：汤梓红