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在用作電源開關時,雙極型晶體管和MOSFET各有優勢。本文分析了二者的導通阻抗和驅動要求,并列舉了兩個應用實例,以便幫助工程師在設計中做出正確選擇,發揮系統設計的最佳性能。

近年來業界在MOSFET的技術和市場上投入頗大,對雙極型晶體管的關注有所減弱,以致許多設計工程師將其視為一種過時的技術。目前,由于雙極型晶體管的性能不斷獲得提升,它在許多應用中可與MOSFET相媲美,甚至超越后者,本文對兩者在電源開關中的應用進行了比較分析。

導通阻抗的比較

設計工程師通常比較關注在給定的擊穿電壓下的導通阻抗。溝道MOSFET通過增加溝道密度來降低導通阻抗。在擊穿電壓較低時效果十分顯著,不過電流卻集中在狹小的溝道區。對于擊穿電壓高的MOSFET,由于輕摻雜的漏極區阻抗較高,隨著擊穿電壓增高,導通阻抗也會增高,它們之間的關系為:

R_ds(on)( BV^2.6

值得注意的是,在驅動條件正確時雙極型晶體管的導通阻抗通常都比同面積的MOSFET更佳(圖1)。通過優化工藝技術和芯片布局,可使電壓偏置和電流飄移均勻地分布在整個芯片區內,以便盡量增大芯片效率。此外,作為飽和開關工作時,雙極型晶體管可從阻性集電極區域的傳導調制(conductivity modulation)中受益,從而大幅降低R_ce(sat)。MOSFET卻沒有任何類似的傳導調制機制,這是雙極型晶體管的優勢之一。如圖2所示,Zetex的第三代系列晶體管的擊穿電壓和集電極-發射極間的關系為:

R_ce(sat) ( BV²

這兩個表達式中不同的指數表明,在擊穿電壓增加時,雙極型晶體管比同面積的MOSFET的導通阻抗更佳。例如,額定擊穿電壓為450V的FMMT459 NPN晶體管電流為150mA,R_ce(sat)的典型值為1.4Ω,可采用SOT-23封裝。額定擊穿電壓類似的同面積MOSFET的導通阻抗則較高,除了電流性能較差,還必須采用D-PAK等封裝形式。此外,雙極型晶體管的截止電壓是雙向的,分別為BV_ebo 和BV_eco。由于雙極型晶體管具有這一性能,當我們需要雙向截止時,便無需串聯一個二極管或增加一個背靠背的MOSFET對,從而避免因加入這些器件而產生傳導損耗 (見應用實例1)。

開關阻抗與溫度的關系是確定電源開關電流特性的另一個重要因素。由于雙極型晶體管的增益隨著溫度上升而增加,同時其V_ce(sat)中的V_be分量減少,因此雙極型晶體管R_ce(sat)的增量通常是MOSFET中的R_ds(on)的一半。由于這一特性,在電流密度較高時,雙極型晶體管比MOSFET工作時更不易發熱,同時比相同面積的MOSFET中的持續電流更高。

驅動要求的差異

雙極型晶體管與MOSFET的驅動要求差別極大,在進行比較時應注意這一點。例如,雙極型晶體管需要足夠的基極電流以便獲得最小R_ce(sat),同時在計算功耗時要考慮到基極驅動損耗。高增益雙極型晶體管的這一損耗較小,由于雙極型晶體管只需要不到1V的電壓便可完全導通,同時具有極佳的溫度穩定性,這些特征在低壓或電池供電應用中極為有用。而MOSFET的柵極電流只用于對柵極充電和放電。不過,為了獲得最小R_ds(on),柵極驅動電壓十分重要,當驅動電壓接近柵極閥值電壓時,導通阻抗大幅增加。由于這些原因,為了公平地比較圖1中所示的各種器件,我們選擇了驅動電流和電壓的最大值。

作為依靠多數載流子工作的器件,MOSFET的開關速度超過1MHz,從而使其驅動電路有足夠大的電流來對寄生電容進行充放電。另一方面,利用它在線性區工作時的大電流及快速開關特性,雙極型晶體管通常用作MOSFET預驅動器(見例2)。不過,當雙極型晶體管作為飽和開關工作時,在每個開關周期內電荷的累積和消除過程延長了關斷時間,將其實際開關速度限制到幾百kHz。

由于其本身的特性,MOSFET對ESD十分靈敏,當靜電電荷引起柵極電壓超過其擊穿電壓時,它會出現突變失效。如果裝配正確,可以將ESD失效降至最低,但卻無法完全消除。相比之下雙極型晶體管則比較遲鈍,可輕易通過標準人體ESD測試。

上述多個因素均會影響電路總成本。了解每種技術的優缺點可獲得最佳的性價比。雙極型晶體管和MOSFET主要特性區別如表1所示。

應用實例

例1:線性電池充電器

線性充電器十分小巧而且設計簡單,不產生電磁干擾(EMI),因此適用于低噪聲環境。它們采用一個外部濾波元件將輸入電源的電壓降低到電池電壓,因此功耗較高。下圖為一個帶有ZXT13P20的典型線性充電器電路。晶體管的功耗主要為集電極-發射極間功耗。

Pd_(CE)=I_CHG×(V_IN-V_DCD- V_SENSE) (W)

其中V_SENSE =I_CHG×R_SENSE (V)

器件選擇標準通常包括電流特性、電流增益、成本及封裝損耗。由于雙極型PNP晶體管的雙向截止性能,它們適用于在此類場合,而MOSFET則需要串聯一個肖特基二極管,以防止電流從電池逆向涌入電源。

例2:MOSFET柵極驅動器

大電流低R_ds(on)的MOSFET具有柵極電容,需要若干安培的電流來成功驅動其高頻動作。預驅動器件常常通過一個電阻為MOSFET供電,因此柵極電壓隨一個特定的RC時間常數而變化。這一時間必須足夠短,以便保證電流經過線性區時不產生額外損耗,但又不能太短,以免引起EMI問題。

開關過程中的平均柵極電流可通過下式計算:

I_g=Q/t

其中:

I_g是平均柵極電流,Q是柵極總電荷(Q_gs+Q_gd),t是開關時間(t_開或t_關)。

例如,典型的100V、35mΩMOSFET需要近50nC,因此柵極需要的電流,以便使器件的開關時間小于20ns。

柵極驅動器解決方案包括專用IC驅動器、邏輯IC、離散MOSFET和雙極型晶體管。選擇標準通常包括開關速度和電流特性、電流增益、成本和尺寸。在這些可選器件中,雙極型晶體管在線性模式下可快速開關、并具有大脈沖電流及高電流密度(從而可降低尺寸和成本)等特性,因此非常適用。雙極型不可逆圖騰柱(即推拉式,totem-pole)驅動器是最常用且最具有成本效益的驅動電路之一。

在上例中,如果要求MOSFET在5V電源驅動時的開關速度為1MHz,則每個驅動器晶體管的功耗為:

Pd=((V_驅動*I*t*f)(2)+(V_eb*(I_C (H_fe))(2

=((5*2.5*2E^-8*10⁶)(2)+((0.8*8.3)(2)

=128(mW)

假設基極電流來自V_驅動,則驅動電路的總損耗為:

Pd=((V_驅動*I*t*f)(2)+(V_驅動*(IC (H_fe))(2

=((5*2.5*2E^-8*10⁶)(2)+((5*8.3)(2)

=146(mW)

由于兩個器件的總功耗僅為256mW,因此選擇小型表面貼裝雙極型晶體管比較理想。

作者:Peter Blair

離散產品開發部經理

Zetex公司

Email: lcollier@