PNP晶體管(雙極晶體管)是一種通過(guò)基極微小電流控制從發(fā)射極流向集電極電流的雙極晶體管，被廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電路、放大電路等多種用途。如果不掌握從發(fā)射極到集電極的電流流動(dòng)結(jié)構(gòu)和工作原理，就可能因布線錯(cuò)誤導(dǎo)致無(wú)法完全關(guān)斷負(fù)載等故障問(wèn)題。

本文將聚焦于PNP晶體管用作高邊開(kāi)關(guān)時(shí)的使用方法，從電路符號(hào)的箭頭方向跟隨電流路徑，依次闡述：PNP晶體管的工作機(jī)制(原理)、高邊開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)用法、確?？煽筷P(guān)斷的基極處理方法、保護(hù)感性負(fù)載的二極管配置，以及實(shí)際應(yīng)用中PNP晶體管常見(jiàn)故障與對(duì)策。

※\(V_{BE}\)、\(V_{CE(sat)}\) 、\(V_{CE}\)均作為“引腳間電壓降幅(正值)”處理，在公式中以|\(V_{BE}\)|、|\(V_{CE(sat)}\)| 、|\(V_{CE}\)|表示。按照嚴(yán)格的符號(hào)定義(\(V_{BE}\) = \(V_B\) ? \(V_E\)、\(V_{CE}\) = \(V_C\) ? \(V_E\))，PNP工作過(guò)程中為負(fù)值。

PNP晶體管(雙極晶體管)的作用和用途

選擇PNP作為高邊開(kāi)關(guān)的原因在于，它能夠直接從電源側(cè)向負(fù)載提供電流。PNP晶體管是一種通過(guò)基極電流控制集電極-發(fā)射極間電流的放大器件。本文按照傳統(tǒng)的電流方向(即假設(shè)正電荷移動(dòng)的方向)進(jìn)行說(shuō)明，而電子流動(dòng)方向與之相反。在放大區(qū)(Active Mode)，通過(guò)微小的基極電流以直流電流放大系數(shù)(\(h_{FE}\)、\(β\))控制較大的集電極電流，發(fā)射極電流為基極電流與集電極電流之和。當(dāng)負(fù)載電源電壓與微控制器不同，或希望固定負(fù)載基準(zhǔn)(GND側(cè))時(shí)，PNP晶體管可簡(jiǎn)化布線設(shè)計(jì)。理解PNP與NPN和低邊結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別，有助于判斷電路結(jié)構(gòu)的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

高邊開(kāi)關(guān)使用PNP晶體管的原因

PNP晶體管被用作高邊(電源側(cè))開(kāi)關(guān)的主要原因在于：只需保持發(fā)射極接\(V_{CC}\)的同時(shí)，將基極電位下拉至低于發(fā)射極的即可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。PNP晶體管在基極電位低于發(fā)射極電位時(shí)導(dǎo)通，基極電流開(kāi)始流動(dòng);當(dāng)基極電位與發(fā)射極電位接近相等時(shí)，基極電流截止，晶體管轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)。在如圖所示的結(jié)構(gòu)中，控制端(MCU)通過(guò)“將基極下拉至GND側(cè)”的動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。但需要注意的是，這僅在OFF時(shí)能將基極電位拉回至\(V_{CC}\)(即發(fā)射極電位)的情況下適用(需使用同一電源或配備電平轉(zhuǎn)換電路)。如果是滿足該條件的結(jié)構(gòu)，配置在電源側(cè)的元器件便能相對(duì)直接地進(jìn)行控制(若在同一位置配置NPN晶體管，則導(dǎo)通時(shí)需將基極電位驅(qū)動(dòng)至高于發(fā)射極電位——即需高于\(V_{CC}\)電位，僅靠同一電源的邏輯電路將難以成立)。

另外，通過(guò)采用高邊開(kāi)關(guān)方式，負(fù)載的GND側(cè)(基準(zhǔn)側(cè))可始終保持直接接地狀態(tài)，從而可抑制開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起的負(fù)載基準(zhǔn)電位波動(dòng)。在低邊開(kāi)關(guān)中，負(fù)載的GND端電位可能會(huì)被抬高，抬高值等于開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通壓降，這對(duì)于需要與負(fù)載共地處理信號(hào)的電路(如傳感器、通信、與其他電路的共地等)而言，可能會(huì)引發(fā)兼容性問(wèn)題。從這一視角來(lái)看，在“需要穩(wěn)定負(fù)載基準(zhǔn)電位”的應(yīng)用場(chǎng)景中，通常會(huì)選擇高邊配置。

導(dǎo)通時(shí)，PNP晶體管從發(fā)射極(\(V_{CC}\))向集電極供電，負(fù)載上端(集電極側(cè))的電壓約為\(V_{CC}\) ? |\(V_{CE(sat)}\)|。因此，負(fù)載可在接近\(V_{CC}\)的正電位下工作，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)仍存在|\(V_{CE(sat)}\)|的電壓降。在OFF狀態(tài)下，PNP晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，集電極呈現(xiàn)高阻抗特性，此時(shí)負(fù)載電流基本為零(負(fù)載上端電位取決于負(fù)載特性及其他電路路徑，必要時(shí)可通過(guò)下拉電阻等方式定義電位)。

這是一個(gè)計(jì)算示例，其前提是控制端將基極下拉至GND側(cè)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通(ON)，并在關(guān)斷(OFF)時(shí)將基極電位恢復(fù)至\(V_{CC}\)(=發(fā)射極電位)的電路配置(采用同一電源或通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路將電位上拉至\(V_{CC}\))。當(dāng)采用通用PNP晶體管驅(qū)動(dòng)12V、80mA繼電器時(shí)，為確保飽和，若設(shè)定強(qiáng)制\(β\)=10，則\(I_B\) ≈ 80 / 10 = 8mA。當(dāng)控制端(下拉基極的灌電流側(cè)驅(qū)動(dòng)器)降至0V時(shí)，發(fā)射極-基極結(jié)會(huì)在約0.7V被正向偏置，此時(shí)基極引腳的電位并非0V，而是被鉗位在\(V_E\) ? 0.7V左右(在12V系統(tǒng)中約為11.3V)。將基極電阻\(R_B\) ≈ (12?0.7) / 0.008 ≈ 1.4kΩ設(shè)為初始值。集電極-發(fā)射極間電壓|\(V_{CE(sat)}\)|若為0.2V左右，則器件損耗約為0.2 × 0.08 = 16mW。基極電阻的損耗約為11.3V × 8mA ≈ 0.09W，因此除了電阻額定值外，還需同時(shí)確認(rèn)下拉基極的灌電流側(cè)驅(qū)動(dòng)器的容許電流(灌電流)和容許電壓。此外，器件損耗主要可通過(guò)|\(V_{CE(sat)}\)| × \(I_C\)進(jìn)行估算，但由于還需疊加基極驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的|\(V_{BE}\)| × \(I_B\)損耗量，因此在溫升估算時(shí)需預(yù)留裕量。

然而，當(dāng)微控制器電源為5V、負(fù)載電源為12V時(shí)，若試圖通過(guò)基極電阻將PNP晶體管的基極連接到微控制器的I/O引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)/關(guān)控制，則會(huì)導(dǎo)致12V系統(tǒng)通過(guò)基極電阻向5V系統(tǒng)產(chǎn)生電流倒灌現(xiàn)象?？赡軙?huì)通過(guò)I/O引腳內(nèi)部的保護(hù)二極管或輸出晶體管向5V電源軌注入電流，導(dǎo)致I/O引腳電壓被拉升至5V左右，或流過(guò)超出絕對(duì)最大額定值的電流，從而存在損壞微控制器的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)微控制器與負(fù)載的電源電壓不同時(shí)，需配置電平轉(zhuǎn)換電路并采取防止反向注入的措施。典型方法之一是采用由NPN晶體管構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)恰當(dāng)控制基極電位來(lái)實(shí)現(xiàn)。這一點(diǎn)將在“關(guān)斷保證”章節(jié)中予以闡述。

在低邊配置中，由于負(fù)載的負(fù)極(-)側(cè)被接至GND，因此負(fù)載的正極(+)側(cè)始終與電源電壓相連。高邊配置適用于需要將負(fù)載的負(fù)極(-)側(cè)固定在GND等基準(zhǔn)電位，僅對(duì)負(fù)載的正極(+)側(cè)電位進(jìn)行開(kāi)/關(guān)控制的場(chǎng)景;或需要在多個(gè)負(fù)載間實(shí)現(xiàn)共地的情況。即使微控制器的電源電壓與負(fù)載的電源電壓相同，采用PNP型晶體管時(shí)仍需注意控制極性的反轉(zhuǎn)，這在布線設(shè)計(jì)時(shí)需特別留意。

關(guān)于雙極晶體管的整體介紹，請(qǐng)參閱雙極晶體管|工作原理及使用方法(NPN/PNP)。

與NPN晶體管(低邊)的區(qū)別

NPN與PNP的區(qū)別主要體現(xiàn)在電流方向和控制電壓極性上。發(fā)射極連接錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致晶體管無(wú)法關(guān)斷，或因反向偏置而損壞。

PNP晶體管是向負(fù)載供電的拉電流工作方式，NPN晶體管則是將負(fù)載拉至GND的灌電流工作方式。

PNP型晶體管在基極電位低于發(fā)射極電位(相當(dāng)于L電平)時(shí)導(dǎo)通，而NPN型晶體管則在基極為H電平時(shí)導(dǎo)通(控制極性相反)。

在高邊開(kāi)關(guān)中，PNP晶體管的發(fā)射極連接\(V_{CC}\);而在低邊開(kāi)關(guān)中，NPN晶體管的發(fā)射極則應(yīng)接地(若錯(cuò)誤地將發(fā)射極接反，則即使在關(guān)斷狀態(tài)下也會(huì)產(chǎn)生漏電流)。

理解這一差異后，便可判斷高邊和低邊的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

PNP晶體管的基本布線(高邊開(kāi)關(guān))

高邊布線導(dǎo)致工作故障的最大原因在于電流路徑的布排順序和發(fā)射極電位錯(cuò)誤。在正確地電路中，電流按電源→發(fā)射極→集電極→負(fù)載→GND的順序流動(dòng)。發(fā)射極請(qǐng)務(wù)必配置在\(V_{CC}\)側(cè)。如果配置在GND側(cè)，則ON/OFF條件無(wú)法成立(無(wú)法導(dǎo)通)，且可能發(fā)生反接或經(jīng)由保護(hù)二極管的反向注入現(xiàn)象。電路圖符號(hào)中的發(fā)射極箭頭指示電流方向，遵循此方向可避免極性錯(cuò)誤。在集電極開(kāi)路(PNP源型輸出)布線時(shí)，需特別注意負(fù)載側(cè)的電位處理。

布線的基本形式與電流流向(\(V_{CC}\)→PNP→負(fù)載→GND)

高邊開(kāi)關(guān)的正確布線順序應(yīng)為：電源(\(V_{CC}\))→發(fā)射極→集電極→負(fù)載→GND的單向路徑。當(dāng)PNP處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，從發(fā)射極流入的電流會(huì)經(jīng)由集電極流向負(fù)載，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。在關(guān)斷狀態(tài)下，基極電流為零，發(fā)射極-集電極之間處于截止?fàn)顟B(tài)。

若顛倒此順序，特性將顯著惡化，損壞風(fēng)險(xiǎn)也隨之升高。若將發(fā)射極與集電極反接，則會(huì)進(jìn)入反向工作模式，此時(shí)\(β\)值將比正向模式低一個(gè)數(shù)量級(jí)，且耐壓性能可能超出規(guī)格保證范圍。這種反接即使是評(píng)估用途的臨時(shí)連接也不推薦。將發(fā)射極連接至低電位側(cè)(GND側(cè))而非\(V_{CC}\)時(shí)，無(wú)法使基極電位低于發(fā)射極電位，因此基本上無(wú)法導(dǎo)通。若再發(fā)生C/E引腳接錯(cuò)的情況，會(huì)因經(jīng)由B-C結(jié)的異常電流損壞控制系統(tǒng)。

若將箭頭方向解讀錯(cuò)誤，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)射極與集電極混淆。關(guān)于符號(hào)的詳細(xì)定義，可參閱“雙極晶體管|工作原理及使用方法(NPN/PNP)”一文。

集電極開(kāi)路(PNP源型輸出)的注意事項(xiàng)

在PNP晶體管的源型輸出布線中，需將發(fā)射極連接至電源(\(V_{CC}\))，并通過(guò)集電極驅(qū)動(dòng)負(fù)載。負(fù)載的另一端需接地(GND)。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，電流從集電極流向負(fù)載，集電極電位將維持在\(V_{CC}\) – |\(V_{CE(sat)}\)|左右。在關(guān)斷狀態(tài)下，集電極將呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)，負(fù)載電流基本為零(漏電流\(I_{CEO}\)和\(I_{CEX}\)請(qǐng)通過(guò)技術(shù)規(guī)格書(shū)確認(rèn)。因溫度上升會(huì)導(dǎo)致漏電流增加，所以需設(shè)定高阻抗讀取的閾值)。在高溫環(huán)境下，漏電流可能導(dǎo)致LED即使在“關(guān)斷”狀態(tài)下仍會(huì)發(fā)出微弱的光。

這種線路適用于繼電器驅(qū)動(dòng)、LED點(diǎn)亮等直流負(fù)載應(yīng)用。由于負(fù)載的GND側(cè)可與其他電路共用，因此布線更為簡(jiǎn)化。若微控制器與負(fù)載共地，則無(wú)需另行鋪設(shè)獨(dú)立的地線回路。然而，負(fù)載電流(\(I-C\))由電源電壓和負(fù)載決定，如果無(wú)法為\(I_C\)提供足夠的基極電流\(I_B\)(未達(dá)飽和狀態(tài))，則集電極-發(fā)射極間電壓無(wú)法充分下降，這將導(dǎo)致?lián)p耗增加。因此需通過(guò)強(qiáng)制\(β\)等設(shè)計(jì)基準(zhǔn)來(lái)估算并確保所需的\(I_B\)電流。另外，需注意基極驅(qū)動(dòng)不要以過(guò)電壓或過(guò)電流對(duì)控制器輸出端(I/O引腳)造成過(guò)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)微控制器的電源電壓與負(fù)載的電源電壓不同時(shí)，需在基極驅(qū)動(dòng)電路中配置電平轉(zhuǎn)換電路并防止反向注入。

PNP晶體管作為高邊開(kāi)關(guān)的成立條件(關(guān)鍵在于“關(guān)斷保證”)

能否正常進(jìn)行開(kāi)關(guān)工作，取決于能否將PNP晶體管控制在截止和飽和兩種狀態(tài)。在截止?fàn)顟B(tài)下，基極-發(fā)射極結(jié)無(wú)法形成正向偏置，集電極電流幾乎無(wú)法流通。在飽和狀態(tài)下，集電極-發(fā)射極間的電壓降(|\(V_{CE(sat)}\)|)會(huì)降到非常低，此時(shí)發(fā)射極-集電極間的電阻達(dá)到最小。在高邊開(kāi)關(guān)中，特別需要注意的是“關(guān)斷保證”這一特性。當(dāng)基極處于懸空狀態(tài)或與發(fā)射極之間的電位差不足時(shí)，晶體管將無(wú)法完全截止，導(dǎo)致負(fù)載中持續(xù)流過(guò)微弱電流。理解|\(V_{BE}\)|、|\(V_{CE(sat)}\)|、\(I_C\)三者的關(guān)系，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)決策提供明確的判斷依據(jù)。

開(kāi)/關(guān)條件與基極電壓的關(guān)系(基極低于發(fā)射極)

是否正常進(jìn)行開(kāi)關(guān)工作通過(guò)|\(V_{BE}\)|、|\(V_{CE(sat)}\)|及\(I_C\)三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行判定。這些參數(shù)將成為區(qū)分截止與飽和狀態(tài)的判定標(biāo)準(zhǔn)。

※|\(V_{BE}\)|和|\(V_{CE(sat)}\)|以“引腳間的電壓降幅(絕對(duì)值)”表示

※達(dá)林頓等器件結(jié)構(gòu)，可能存在|\(V_{CE(sat)}\)|較高的情況，最終判定請(qǐng)以技術(shù)規(guī)格書(shū)的飽和條件為準(zhǔn)

例如，當(dāng)用12V電源驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)射極接12V。當(dāng)控制端(微控制器輸出)被下拉至0V時(shí)，發(fā)射極-基極結(jié)因約0.7V的電壓而正向偏置，基極電流流通，晶體管導(dǎo)通(此時(shí)基極引腳電壓被鉗位在約11.3V附近，剩余電壓降落在基極電阻上)。當(dāng)基極電壓被拉低至11.5V時(shí)，發(fā)射極-基極間的電位差約為0.5V，此時(shí)基極電流幾乎不流通，因此在表象上呈現(xiàn)關(guān)斷狀態(tài)。但需注意，0.5V左右的電壓并不能保證“完全關(guān)斷”，受器件個(gè)體差異、溫度、負(fù)載(如LED等)等因素影響，仍可能出現(xiàn)微弱的導(dǎo)通現(xiàn)象。(若想確保徹底關(guān)斷，需將基極電位恢復(fù)至與發(fā)射極相近的水平)

確保徹底“關(guān)斷”的基極處理

高邊開(kāi)關(guān)出現(xiàn)“無(wú)法完全關(guān)斷”的問(wèn)題，主要源于兩個(gè)原因。一個(gè)是基極懸空問(wèn)題，另一個(gè)是微控制器電源與負(fù)載電源之間的電壓差。

微控制器的輸出引腳處于高阻抗?fàn)顟B(tài)(如啟動(dòng)時(shí)或初始化期間)時(shí)，PNP晶體管的基極會(huì)懸空，導(dǎo)致晶體管發(fā)生誤動(dòng)作。實(shí)際上存在因噪聲導(dǎo)致基極電位不穩(wěn)定，從而使負(fù)載在非預(yù)期時(shí)機(jī)導(dǎo)通的案例。在基極與發(fā)射極之間配置上拉電阻(建議10kΩ～100kΩ)，可確?；鶚O電位等于發(fā)射極電位(\()V_{CC}\))。最佳值會(huì)因輸入器件和噪聲環(huán)境而有所波動(dòng)。應(yīng)避免對(duì)基極-發(fā)射極結(jié)施加過(guò)大的反向偏置電壓。如果超過(guò)擊穿電壓(\(V_{EBO}\))，器件可能會(huì)永久損壞。

當(dāng)微控制器電源與負(fù)載電源的電壓相同(例如兩者均為5V)時(shí)，將微控制器輸出置為H電平(高電平)可使基極與發(fā)射極處于相同電位，從而實(shí)現(xiàn)可靠關(guān)斷。然而，若兩電源的電壓不同，則需格外留意。

例如，當(dāng)負(fù)載電源為12V、微控制器電源為5V時(shí)，即使將微控制器輸出置為高電平(5V)，由于該電位仍低于發(fā)射極(12V)，發(fā)射極-基極結(jié)仍保持正向偏置狀態(tài)(在約7V的電位差中，約0.7V降落在結(jié)上，其余部分降落在基極電阻上)。在這種狀態(tài)下，晶體管將保持導(dǎo)通狀態(tài)。而且，電流會(huì)從12V電源經(jīng)由基極電阻灌入5V微控制器的引腳，致使引腳被施加超過(guò)微控制器電源電壓的電壓，即發(fā)生反向注入。應(yīng)將反向注入電流控制在絕對(duì)最大額定值范圍內(nèi)，以確保施加在控制器(微控制器)I/O引腳上的電壓不超過(guò)其電源電壓(VDD)。當(dāng)電源電壓不同時(shí)，需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換并防止反向注入。具有代表性的方法是采用NPN晶體管構(gòu)建電平轉(zhuǎn)換電路。

確保安全穩(wěn)定工作的布線和保護(hù)技巧(使高邊PNP晶體管穩(wěn)定工作)

在感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路中，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)會(huì)損壞晶體管。繼電器和電機(jī)等負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路在斷開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)該電壓超過(guò)晶體管的耐壓值時(shí)，器件將被損壞。將續(xù)流二極管與負(fù)載并聯(lián)連接，可吸收反向電動(dòng)勢(shì)，從而可保護(hù)晶體管。在高邊開(kāi)關(guān)配置中，二極管的極性需要以\(V_{CC}\)為參考進(jìn)行正確配置。如果基極處于懸空狀態(tài)，將會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)作，所以需通過(guò)上拉電阻使其穩(wěn)定工作。

保護(hù)感性負(fù)載的二極管配置方法

開(kāi)/關(guān)感性負(fù)載(繼電器、電機(jī)、電磁閥)時(shí)，在將晶體管切換至關(guān)斷的瞬間，線圈電流急劇減小，為維持電流持續(xù)流動(dòng)而產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)高邊PNP開(kāi)關(guān)采用“\(V_{CC}\)-發(fā)射極(PNP)-集電極-負(fù)載-GND”的電路結(jié)構(gòu)時(shí)，關(guān)斷瞬間為維持負(fù)載電流，集電極側(cè)節(jié)點(diǎn)會(huì)向低于GND的方向偏移，這會(huì)導(dǎo)致晶體管兩端電壓(|\(V_{CE}\)|)超過(guò)額定值，從而發(fā)生雪崩擊穿，因此產(chǎn)生的高熱量會(huì)引發(fā)器件損壞或劣化。

針對(duì)這種問(wèn)題，相應(yīng)的對(duì)策是將續(xù)流二極管與感性負(fù)載并聯(lián)連接，并使其在正常工作時(shí)反向偏置。在高邊PNP的示例中，應(yīng)將二極管的陽(yáng)極連接至GND，陰極連接至集電極側(cè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，集電極側(cè)節(jié)點(diǎn)向負(fù)側(cè)偏移，二極管正向?qū)?，從而形成線圈電流經(jīng)二極管循環(huán)的回路。這樣，集電極側(cè)節(jié)點(diǎn)電壓被鉗位在接近(理想情況下)二極管正向電壓的水平(若因布線電感等因素導(dǎo)致瞬時(shí)過(guò)沖殘留，也可考慮采用TVS等保護(hù)器件)，從而可有效抑制施加在晶體管上的過(guò)大電壓尖峰。

當(dāng)采用二極管鉗位時(shí)，線圈承受的反向電壓會(huì)降到非常低，這可能導(dǎo)致電流衰減速度減緩，從而使繼電器釋放延遲。若需高速截止，可考慮采用齊納二極管(或TVS)等提升鉗位電壓的方法，或增加RC緩沖電路等方案。

防止誤動(dòng)作的基極處理與布線(懸空和電位差)

要防止基極懸空，可通過(guò)前一節(jié)所述的上拉電阻方案進(jìn)行處理。本節(jié)將介紹走線和噪聲抑制措施。

發(fā)射極到電源(\(V_{CC}\))之間的布線過(guò)長(zhǎng)時(shí)，容易受噪聲干擾，從而導(dǎo)致誤動(dòng)作。將發(fā)射極引腳以最短路徑連接至電路板的電源線路，可提高抗噪性能。當(dāng)電源線路的阻抗較高時(shí)，在發(fā)射極附近并聯(lián)小容量陶瓷電容器作為旁路元件，可泄放高頻分量的噪聲，從而更易維持電源電位的穩(wěn)定性。電容值會(huì)因噪聲頻段和負(fù)載電流而變化，建議從數(shù)十nF級(jí)別的電容開(kāi)始著手，在整個(gè)電源線路上配合使用數(shù)十μF至數(shù)百μF級(jí)別的濾波電容器進(jìn)行調(diào)整。

同樣地，將微控制器輸出至基極電阻間的走線縮短，也能降低噪聲干擾的影響?；鶚O布線過(guò)長(zhǎng)時(shí)，外部噪聲可能會(huì)導(dǎo)致基極電位波動(dòng)，使晶體管在非預(yù)期時(shí)刻導(dǎo)通。

PNP晶體管在高邊驅(qū)動(dòng)中常見(jiàn)的故障及對(duì)策

高邊開(kāi)關(guān)的常見(jiàn)問(wèn)題主要有三種：布線錯(cuò)誤導(dǎo)致不動(dòng)作、關(guān)斷狀態(tài)下存在微弱電流、反接造成的損壞。若負(fù)載不動(dòng)作，需要確認(rèn)發(fā)射極是否已連接至\(V_{CC}\)，并確認(rèn)基極電壓是否充分低于發(fā)射極。若無(wú)法完全關(guān)斷負(fù)載，可能是基極處于懸空狀態(tài)，或與發(fā)射極之間的電位差不足。執(zhí)行上述最基本的布線檢查步驟，可快速鎖定故障原因。

無(wú)法完全關(guān)斷的原因及微弱電流的產(chǎn)生

在高邊開(kāi)關(guān)中出現(xiàn)的“負(fù)載無(wú)法完全關(guān)斷”問(wèn)題，是由多重因素疊加引起的。最多的是基極懸空問(wèn)題以及與微控制器電源之間的電壓差問(wèn)題。

當(dāng)基極處于懸空狀態(tài)時(shí)，由于噪聲干擾會(huì)導(dǎo)致基極電位不穩(wěn)定，從而使晶體管出現(xiàn)部分導(dǎo)通現(xiàn)象。未配置上拉電阻或電阻值過(guò)大時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況。當(dāng)微控制器電源與負(fù)載電源存在電壓差時(shí)，即使將微控制器輸出置為高電平，由于電位仍低于發(fā)射極，會(huì)導(dǎo)致發(fā)射極-基極結(jié)保持正向偏置狀態(tài)(發(fā)射極-基極結(jié)電壓被鉗位在約0.7V，剩余電壓降落在基極電阻上)。在這種狀態(tài)下，晶體管無(wú)法完全關(guān)斷。

由于溫度上升導(dǎo)致漏電流(\(I_{CEO}\)和\(I_{CEX}\))增加，即使在關(guān)斷狀態(tài)下也會(huì)有微弱電流通過(guò)。如果無(wú)法完全關(guān)斷負(fù)載，應(yīng)確認(rèn)漏電流(\(I_{CEO}\))和基極懸空情況。通過(guò)技術(shù)規(guī)格書(shū)確認(rèn)溫度特性，并驗(yàn)證在工作溫度范圍內(nèi)的漏電流是否處于容許范圍內(nèi)。如果負(fù)載是LED，即使僅僅數(shù)十μA的電流，也可能達(dá)到肉眼可見(jiàn)的亮度。

反接和布線錯(cuò)誤引發(fā)的癥狀及其對(duì)策

高邊布線所引起的問(wèn)題，可通過(guò)癥狀鎖定原因。當(dāng)負(fù)載完全不動(dòng)作時(shí)，可能是發(fā)射極與\(V_{CC}\)的連接斷開(kāi)，或基極電壓未充分低于發(fā)射極所致。若負(fù)載在意外導(dǎo)通，則表明基極處于懸空狀態(tài)。

若晶體管異常發(fā)熱，可能原因是未滿足飽和條件，或集電極電流超出最大額定值。截止?fàn)顟B(tài)下，集電極-發(fā)射極間呈現(xiàn)高阻態(tài);飽和狀態(tài)下則表現(xiàn)為低阻態(tài)。晶體管損壞導(dǎo)致無(wú)法導(dǎo)通時(shí)，可能是反向電動(dòng)勢(shì)引起的過(guò)電壓，或是發(fā)射極與集電極反接所致。

在通電前確認(rèn)接線，可有效防止晶體管損壞或誤動(dòng)作。通常設(shè)計(jì)師通過(guò)以下三個(gè)步驟確保安全：

確認(rèn)發(fā)射極與\(V_{CC}\)之間正確連接

確認(rèn)基極電阻和負(fù)載極性(發(fā)射極接\(V_{CC}\)，集電極經(jīng)負(fù)載接地)

確認(rèn)負(fù)載位置(負(fù)載應(yīng)位于集電極側(cè)，與GND之間)

按照上述順序確認(rèn)，可在通電前發(fā)現(xiàn)大部分布線錯(cuò)誤。

PNP晶體管總結(jié)

本文整理了將PNP晶體管(雙極晶體管)用作高邊開(kāi)關(guān)時(shí)的三個(gè)要點(diǎn)：第一，將發(fā)射極接入電源側(cè)(\(V_{CC}\))，將集電極接入負(fù)載側(cè)。第二，在飽和模式下，集電極-發(fā)射極間呈現(xiàn)低阻態(tài)，適合開(kāi)關(guān)應(yīng)用;而在放大模式下，雖具有電流放大能力，但不適合開(kāi)關(guān)工作?！皩?dǎo)通”時(shí)需將基極電位下拉至低于發(fā)射極電位，“關(guān)斷”時(shí)則需確保將基極電位上拉回發(fā)射極電位。第三，對(duì)于繼電器等感性負(fù)載，應(yīng)以\(V_{CC}\)為基準(zhǔn)正確配置續(xù)流二極管的方向，以防止過(guò)壓擊穿;同時(shí)，應(yīng)通過(guò)布線設(shè)計(jì)避免基極懸空和意外導(dǎo)通狀態(tài)，這非常重要。