0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

硬件工程师入门的基础元器件知识

fcsde-sh 来源:fcsde-sh 2024-12-10 10:19 次阅读

本文介绍了硬件工程师入门的基础元器件,包括二极管、三极管、MOS管和IGBT。对比了肖特基二极管与硅二极管的特性,探讨了三极管作为开关的应用和电阻选择方法,解释了MOS管的结构和栅极串联电阻布局,并概述了IGBT在电力转换中的重要角色及其发展。

硬件工程师入门基础知识

(一)基础元器件认识(二)

tips:学习资料和数据来自《硬件工程师炼成之路》、百度百科、网上资料

1.二极管

2.三极管

3.MOS管

4.IGBT

5.晶振

1.二极管

肖特基二极管和硅二极管的比较:

肖特基二极管的优势主要在速度和压降,对这两个没要求的场景,那自然选择更便宜的由硅构成的二极管。

二极管漏电流

这个参数,值得一提的是,肖特基二极管的漏电流,是硅二极管的 100 倍左右。

还有一点就是,漏电流与温度有很大的关系。温度越高,漏电流越大。

硅二极管温度越高,漏电流越大,是原因硅二极管的漏电流是由少子决定的,温度越高,本征激发越强烈,少子浓度会升高,所以漏电流就越大了。

反向恢复时间:也是比较重要的参数,这个前面有文章专门讲过,就不再说了。

工作频率:由反向恢复时间决定的。

耐压:记住肖特基二极管耐压值,很难做高就行吧,一般不超过 100V,当然,更高的也有,这里只说常见的。而硅二极管可以做很高。

反向恢复时间

实际应用中的二极管,在电压突然反向时,二极管电流并不是很快减小到 0,而是会有比较大的反向电流存在,这个反向电流降低到最大值的 0.1 倍所需的时间,就是反向恢复时间。

几种二极管的最高工作频率顺序是下面这样的:

为什么要用肖特基二极管续流?

我们来看一个问题:

为什么开关电源中,一般用肖特基二极管续流,不用快恢复二极管呢?

主要有两点:

一是肖特基二极管导通电压更低。

二是肖特基二极管速度更快,反向恢复时间更小。

如此一来,使用肖特基二极管肯定损耗是更小的,温度更低,也不会烫成狗,这样整个开关电源效率也更高。

2.三极管

常用的三极管电路设计-电阻到底是怎么选的

我们在模电教材里面,会有各种放大电路,共基,共集,共射等,相关的计算公式,曲线,电路等效

模型天花乱坠,学起来非常费劲。

实际 90%工作,可能我们主要关注一个参数就行了,那就是电流放大倍数 β,其它的通通用不到,而且我们做产品,如果真要放大信号,那也是使用各种集成运放。

绝大多数情况,我们是把三极管当作一个低成本的开关来使用的,作为开关,虽然 MOS 可能更为合适,不过三极管价格更低,在小电流场景,三极管反而是用得更多的。

一个 NPN 三极管,价格也就 2 分钱左右。

常用的电路(NPN 为例)

1、电平转换,反相

这个电路用得非常多,有两个功能。

一是信号反相,就是输入高电平,输出就是低电平;输入低电平,输出就是高电平

二是改变输出信号的电压,比如输入的电压范围是 0V 或者是 3.3V,想要得到一个输出是 0V 或者是5V 的电平怎么办呢?让 Vcc 接 5V 就可以了,输出高的时候,out 的电平就是大约为 5V 的。

2、驱动指示灯

我们经常使用三极管驱动 LED 灯,比如下面这个电路:

3、驱动 MOS 开关

还一个电路也用得非常多,那就是驱动电源的 PMOS 开关,如下图:

在 in 为低时,三极管不导通,相当于是开路,PMOS 管的 Vgs 为 0,PMOS 管也不导通,Vcc2 没有电。

在 in 为高时,三极管导通,集电极相当于是接地 GND,于是 PMOS 管的 Vgs 为-Vcc1,PMOS 管导通,也就是 Vcc1 与 Vcc2 之间导通,Vcc2 有电。

如何选择电阻

我们的电路输入一般是只有两种状态,0V 或者是其它的高电平(1.8V,3.3V,5V 等),截止状态一般不用怎么考虑,因为如果让三极管的 Vbe=0,自然就截止了,重要的是饱和状态如何保证。

那么啥叫饱和状态?

我们先假定三极管工作在放大状态,那么放大倍数就是β,如果基极有 Ib 电流流过,那么集电极 Ic=β*Ib,Ic 也会在 Rc 上面产生压降 Urc。

易得:Urc+Uce=Vcc,显然,Ib 越大,那么 Urc=βIbRc 越大,如果 Ib 足够大,那么 Urc=Vcc 时,

Uce=Vcc-Urc≈0。

电路计算举例

LED 灯的例子

已知条件:输入控制电压高电平为 3.3V,电源电压为 5V,灯的导通电流 10mA,灯导通电压 2V,三极管选用型号 MMBT3904

三极管饱和导通时,Vce=0V,所以 Rc=(5V-2V)/10mA=300Ω。

查询芯片手册,三极管 MMBT3904 的的放大倍数 β(hfe)如下图所示:

可以看到,在 Ic=10mA 时,放大倍数最小为 100。

那么 Ib=10mA/100=100uA,三极管导通时,Vbe 约为 0.7V,继而求得 Rb=(3.3-

0.7V)/100uA=26K。

也就是说只要 Rb《26K,三极管就工作在了饱和状态,像这种情况,我一般取 Rb=2.2K,或者是 1K,4.7K,10K,这样 Ib 更大,更能让三极管工作在饱和状态。

具体取多少,取决于整个板子的电阻使用情况,比如 10K 电阻用得多,那我就取 10K,这样物料种类少,生产更方便。

或者咱为了保险一点,比如要兼容别的三极管型号,可以取 Rb=1K,这样即使别的三极管 β 小于100,也能工作在饱和状态。

一般来说,我们不要取正好的值,比如 26K 或者接近 26K 的值,这样太不安全。

我们也可以反向验算下,假如 Rc=300Ω,Rb=10K,那么 Ib=(3.3-0.7)/10K=0.26mA,那么Ic=1000.26mA=26mA,那么 Rc 的压降是300Ω26mA=7.8V,这已经超过 Vcc 了,所以管子肯定是工作在饱和状态的。

3.MOS管

1、MOS 导通后电流方向其实可以双向流动,可以从 d 到 s,也可以从 s 到 d。

2、MOS 管体二极管的持续电流可以根据 MOS 管的功耗限制来计算,

3、MOS 管体二极管瞬间可以通过的电流,等于 NMOS 管导通后瞬间可以通过的电流,一般不会是瓶颈

NMOS 管的结构

我们看一下 NMOS 管的结构。

以 NMOS 为例,如上图,S 和 D 都是掺杂浓度比较高的 N 型半导体,衬底为 P 型半导体,并且衬底和 S 极是接到一起的。

在 Vgs 电压大于门限电压 Vth 时,也就是栅极相对衬底带正电,它会将 P 型衬底中的少子(电子)吸引到 P 型衬底上面,形成反型层,也就是导电沟道。

PCB Layout 时,MOS 管栅极串联电阻放哪儿?

如上图,串联的电阻 R1 到底是放在靠近 IC 端,还是靠近 MOS 端?(注意,图中的 L1 是走线寄生电感,并不是这里放了个电感器件)

1、 TI 的无刷电机驱动芯片 DRV8300 的 demo 板

Demo 板硬件设计可以直接在 Ti 官网下载,如下图,可以看到,串联电阻是放置在 MOS 管端的。

2、 Ti 的 POE 方案 TPS23753A 的 Demo 板

原理图如下:

PCB 如下图,串联电阻也是放置在靠近 MOS 管端。

3、 MPS 的无刷电机驱动芯片 MP6535。

如下图,6 个 MOS 的栅极串联电阻 R18,R19,R20,R21,R22,R23 放置在中间。

从走线长度看,Q1,Q2,Q3 串联的电阻离 MOS 较近,离驱动 IC 较远。Q4,Q5,Q6 串联的电阻在 MOS 和驱动 IC 中间。

大部分情况栅极串联电阻靠近 MOS 管放置这个说法是属实的。

4.IGBT

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由(Bipolar Junction Transistor,BJT)双极型三极管和绝缘栅型场效应管(Metal Oxide Semiconductor,MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管(Giant Transistor,GTR)的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。

IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置的“CPU”,作为国家战略性新兴产业,在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。

IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品;封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上。

IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点;当前市场上销售的多为此类模块化产品,一般所说的IGBT也指IGBT模块;随着节能环保等理念的推进,此类产品在市场上将越来越多见;

IGBT功率模块采用IC驱动,各种驱动保护电路,高性能IGBT芯片,新型封装威廉希尔官方网站 ,从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高压大电流发展,其产品水平为1200—1800A/1800—3300V,IPM除用于变频调速外,600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。平面低电感封装威廉希尔官方网站 是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB,用于舰艇上的导弹发射装置。IPEM采用共烧瓷片多芯片模块威廉希尔官方网站 组装PEBB,大大降低电路接线电感,进步系统效率,现已开发成功第二代IPEM,其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为IGBT发展热门。

IGBT如有讨论尽管留言,目前在新能源领域接触最多的还是IGBT模块。

5.晶振

晶振分类

首先,晶振一般分为两种,一种叫有源晶振,一种叫无源晶振。

有源晶振也叫晶体振荡器,Oscillator;无源晶振有时也叫无源晶体,Crystal,晶体谐振器。至于哪个名字更专业,更准确,我觉得无需争论,名字只是代号而已,大家工作中沟通能知道说的是什么就行。

简单说有源晶振自己供上电就能输出振荡信号,无源晶体必须额外增加电路才能振荡起来。

以上分类是从使用上面来说的。如果我们单看晶振的内部构造,就会发现,有源晶振内部是包含了一个无源晶振,然后再将阻容,放大等电路也包含进去,整体封装好再给我们用。

晶振的等效模型

那么其中 Lm,Rm,Cm 分别又是什么意思呢?

Cm:动态电容,反映了振动体的弹性,随频率会变化

Lm:动态电感,反映了振动体的质量,随频率会变化

Rm:动态电阻,反映了振动体的损耗,随频率会变化

C0:静电容,两个电极间形成的电容。

晶振是如何起振的?

皮尔斯晶体振荡器

目前工作中用得最多的就是皮尔斯晶体振荡器,也就是下面这个结构。

CL1,CL2 为匹配电容,Rext 通常为串联的几百欧姆电阻(有时也不加)。有时候数据手册会有推荐参数。

上面这个结构可能看着不是很熟悉,我们把它转换一下,变成下面这个就熟悉些。

Inv:内部反相放大器

Q:石英或陶瓷晶振。

RF:内部反馈电阻。

RExt:外部限流电阻,限制反相器输出电流。

CL1 和 CL2:两个外部负载电容。

Cs:寄生电容:PCB 布线,OSC_IN 和 OSC_OUT 管脚之间的效杂散电容

反馈电阻 RF

在几乎所有的 ST 的 MCU 中,RF 是内嵌在芯片内的。它的作用是让反相器作为一个放大器来工作。

Vin 和 Vout 之间增加的反馈电阻使放大器在 Vout = Vin 时产生偏置,迫使反向器工作在线性区域(图 5 中阴影区)。该放大器放大了晶振的正常工作区域内(Fs 与 Fa 之间)的噪声(例如晶振的热噪声),该噪声从而引发晶振起振。在某些情况下,起振后去掉反馈电阻 RF,振荡器仍可以继续正常工作。

本文链接:https://blog.csdn.net/qq_41600018/article/details/128993663

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 三极管
    +关注

    关注

    142

    文章

    3611

    浏览量

    121874
  • 二极管
    +关注

    关注

    147

    文章

    9627

    浏览量

    166310
  • MOS管
    +关注

    关注

    108

    文章

    2410

    浏览量

    66762
  • IGBT
    +关注

    关注

    1266

    文章

    3789

    浏览量

    248896

原文标题:硬件工程师入门基础元器件与电路原理

文章出处:【微信号:fcsde-sh,微信公众号:fcsde-sh】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    电子工程师硬件工程师基础知识

    本帖最后由 gk320830 于 2015-3-9 04:33 编辑 电子工程师硬件工程师基础知识
    发表于 08-20 14:20

    硬件工程师要学习哪些知识

    比方来说,电阻有分压,限流的作用,在充电器上某个电阻它起分压呢还是限流呢,我搞不懂.......硬件工程师这门专业从哪方面学起,要学习哪些知识,掌握那些应用等等......请大师们给点指导,说详细点.........
    发表于 09-02 01:45

    硬件工程师入门教程

    分享硬件工程师入门教程
    发表于 05-24 16:44

    招聘功率器件工程师、应用开发工程师

    一、功率器件工程师招聘条件 1、具有良好的品行,能吃苦耐劳,身体健康; 2、热爱科研事业,专业基础扎实,学风严谨,有较高的学术造诣; 3、具有高度的敬业精神和拼搏奉献精神,较强的团结协作意识和良好
    发表于 06-07 10:04

    硬件工程师如何对电子元器件进行选型?

    面对如此众多的电子元器件硬件工程师是如何对元器件进行选型的?
    发表于 10-30 19:59

    电子工程师自学速成 入门

    `“电子工程师自学速成”丛书分为“入门篇”、“提高篇”和“设计篇”共 3 本。《电子工程师自学速成入门篇》为“入门篇”,主要介绍了电子威廉希尔官方网站
    发表于 11-09 12:50

    电子工程师必备--元器件应用

    `电子工程师必备--元器件应用,初学者入门必备教材,非常难得`
    发表于 07-11 11:13

    硬件工程师设计及入门资料

    硬件工程师设计及入门资料
    发表于 12-03 11:52

    硬件工程师基础课程之基本元器件有哪些

    本章知识硬件工程师基础课程之基本元器件将会讲解到:电阻、电容、电感(变压器)、保险、二极管(整流桥)、三极管、接插件、蜂鸣器、IGBT、电源转换
    发表于 07-09 07:46

    电源工程师需要哪些知识

    作为电源工程师如果只会元器件和PCB画板的基本知识并不算厉害,要一个资深的电源工程师应该对这方面的知识形成一个系统,这样达到月薪25K真的不
    发表于 11-11 07:01

    热门推荐:硬件工程师必备工具

    硬件开发的工作流程一般可分为:原理图设计、PCB Layout设计、采购电子BOM、PCB板生产、PCBA组装、功能调试及测试、小批量试产、大批量生产正式投放市场等步骤。 作为一名优秀的硬件工程师
    发表于 06-21 10:15

    硬件工程师入门教程

    硬件工程师入门教程硬件工程师入门教程硬件
    发表于 01-05 15:53 257次下载

    硬件工程师入门教程

    硬件工程师入门教程比较实用,可以参考,可以推荐。
    发表于 05-03 15:15 124次下载

    硬件工程师必备要了解哪些基础知识

    硬件工程师必备基础知识 目的:基于实际经验与实际项目详细理解并掌握成为合格的硬件工程师的最基本知识
    发表于 10-30 08:00 0次下载

    硬件工程师如何做元器件变更的决策

    硬件工程师如何做元器件变更的决策某产品在从研发转规模生产阶段,采购部门给硬件工程师推荐了新的MOSFET(称为A),该物料比该产品研发阶段使
    的头像 发表于 07-06 08:17 503次阅读
    <b class='flag-5'>硬件</b><b class='flag-5'>工程师</b>如何做<b class='flag-5'>元器件</b>变更的决策