在电子电路设计领域，当辛辛苦苦设计完的电路板顺利通过功能测试、性能测试以及环境实验后，我们往往会觉得大功告成。然而，实际情况却是，用户的使用场景千奇百怪，可能会将产品置于各种超乎我们想象的环境中。本文将详细介绍一个因高温环境影响三极管性能，进而导致产品失灵的典型。
　　始末
　　发现问题：此次涉及的是一个极为简单的串口 RS485 电路（如图 1 所示）。该电路的优势在于，使用它之后无需单独的信号去管理 485 芯片的收发分时，十分便捷。但问题就出在这个看似完美的电路上。电路开发完成后，在环境实验中，于 55 度的条件下测试，一切正常，数据收发毫无问题。然而，产品到了用户手中，工作一小会儿就出现故障。经过现场排查，发现用户将产品放置在发热量巨大的发动机旁边，实际测量周围环境温度超过 48 度。而且，为了防尘，板卡和一个发热巨大的主控被放在同一个盒子里，还没有风扇散热，这使得盒子里面的温度高达 70 多度。起初，怀疑是嵌入式软件配置问题，便询问软件小哥，但小哥表示自己已经将手册翻烂，并未发现特殊配置。回到公司后，用热风枪对着 ARM 芯片吹，结果芯片并无异常。于是，只能对剩下的电路逐一排查，当吹到三极管（电路图中的 Q4）时，数据消失了。但不幸的是，不小心把电阻吹掉了。焊上电阻后，调小风量、加大热度继续吹，数据依旧消失，由此将目标锁定在三极管上。
　　　　（图 1：RS485 电路图）
　　分析原因：接下来，通过测量波形来深入分析问题。电路设计中使用的限流电阻为 1K，三极管为 9013。分别测量图中标识的 1、2、3 点的波形。在常温下，点（隔离芯片 ADuM1201 输出引脚）的波形如图 2 所示，输出电压幅值为 5V；第二点（9013 三极管基极控制电压）的波形 所示，输出电压峰值约为 700mV，波动范围约为 200mV，当电平为 0.7V 时三极管导通，为 0.5V 时三极管关断；第三点（9013 三极管集电极电压）的波形所示，输出电压幅值约为 5V。
　　随后，对电路进行加热处理。加热后再次测量点的波形，如图 5 所示，波形与加热前基本一致，这表明加热并不会改变 ADuM1201 隔离芯片的输出电压特性。继续测量第二点，当温度升高到约 55 度时，第二点波形如图 6 所示，其电压的波动范围变小，约为 100mV，高电平减小到 0.6V，但低电平仍约为 0.5V；当温度继续升高到 65 度时，第二点电压基本保持在 0.5V，三极管保持导通状态，导致 RS485 无法实现数据发送。再看第三点，当加热到约 55 度时，第三点波形如图 7 所示，随着温度升高，第三点输出电压保持为低电平，RS485 电路处于接收状态。
　　为了进一步了解三极管的特性，我们知道三极管的物理结构为两个 PN 结，其 Ube 电压特性如图 8 所示，开启电压约为 0.7V，且基极与发射电压特性与二极管特性相同。从图中可以看出，随着温度的升高，Ube 的特性曲线整体右移，这使得三极管的导通压降降低，从而导致控制 MAX485 芯片的 RE 引脚一直处于低电平，无法发送数据。通过分析还发现，终三极管基极钳位到 0.5V 是因为 5V 上拉 10K 电阻与 1K 限流电阻分压所致。将限流电阻 R65 改为 0R 后，波形如图 9 所示，可以看到电压波形在 0V 到 0.7V 之间波动。但改为 0R 限流电阻后，虽然继续加热 RS485 电路时波形无明显变化，串口也能正常发送数据，但由于三极管的基极将 ADuM1201 发送引脚强制拉到 0.7V，会增大 ADuM1201 的输出电流，长期运行会对器件寿命产生严重影响。
　　（图 8：三极管 Ube 电压特性）
　　解决问题：鉴于三极管的温度特性，在高温运行下基极门限电压降低，若只是单纯将 ADuM1201 输出限流电阻减小，会影响器件寿命和产品质量。因此，将三极管 9013 改为 MOS 管 GMS2302。MOS 管为压控型器件，本身不会消耗太多功耗。MOS 管 GMS2302 在常温下栅极电压波形如图 10 所示，波形范围为 0V 到 5V；在温度约为 80 度时，栅极电压波形如图 11 所示，电压波形无变化，且串口可以正常发送数据。