低VCEsat双极结晶体管和MOSFET的比较

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新型低VCEsat BJT技术为传统的平面MOSFET(电流介于500mA与5A之间的应用)提供了一种可行的低成本替代方案。采用低VCEsat BJT有助于设计人员设计出成本更低、更具竞争优势的产品。
　　便携式产品(如手机、数码照相机、数码摄像机、DVD播放器、MP3播放器和个人数字助理)的设计人员一直面临着压力，既要缩减材料成本，又不能影响产品的性能，这对设计人员而言是真正的挑战，因为他们既要增加产品新特性，又不能对电池使用寿命产生负面影响。
　　大多数便携式产品正向着集成电源管理单元(PMU)电路的方向发展，这种电路专为控制产品中的不同功能而设计，包括电池充电、电池管理、过压保护、 背光、振动器、磁盘驱动器和外围设备的控制、为照相机和闪光灯单元供电等。将电流控制在500mA以下的电路一般都嵌在PMU中，包括末级调整管。然而， 如果将电流控制在500mA～5A的范围内，外部调整管(MOSFET)是首选的典型设计。本文将对MOSFET和低VCEsat双极结晶体管(BJT) 做一比较，可以看出采用后者不仅可以降低功耗，同时还可以节约成本。
　　低VCEsat BJT与MOSFET功能相同，但是成本更低，且在许多情况下，其功耗更低，因此电池使用寿命更长。更低的VCEsat BJT器件采用了20多年前开发出来的技术。如今，该项技术着眼于降低正向饱和电压，以获得极低的正向电阻。在电流为1A的情况下，一些新型低 VCEsat BJT目前的饱和电压远远低于100mV。这意味着正向电阻低于100mΩ，因此与成本较高的MOSFET相比，极具竞争力。
　　设计考虑因素
　　MOSFET是一个电压驱动器件，而低VCEsat BJT 是电流驱动器件。因此，设计人员需要了解所用PMU 控制电路的电流极限，该PMU 控制电路用以确定采用低VCEsat BJT进行设计时的特定电路要求。例如，如果低VCEsat BJT要控制1A电流，且其最差情况下的放大倍数为100，此时基极电流最小必须达到10mA，以确保低VCEsat BJT达到饱和状态。控制引脚必须能够为低VCEsat BJT提供10mA电流以进行直接驱动，否则需要额外的驱动段。
　　充电电路实例分析
　　从便携式产品的充电电路可看出(见图1、2)，采用低VCEsat BJT 和一个电阻替代调整管Q1(功率MOSFET 2A, 20V, TSOP6 封装)和阻塞肖特基二极管D1。在这个实例中，低VCEsat BJT比典型MOSFET节约了0.10美元的成本，且功耗降低了261 mW。
　　




　　图1 MOSFET 和肖特基二极管构成的充电电路成本及功耗
　　




　　图2 采用低VCEsat BJT和偏置电阻构成的充电电路的成本及功耗
　　锂离子电池的充电控制器件均嵌在PMU中。PMU控制引脚变高以导通外部调整管Q1，且充电电流设为1A。串联的肖特基二极管D1需阻塞电池的反向电流。
　　调整管Q1和反向阻塞二极管D1上的典型功耗可按以下方式计算：
                          
                       
                          
                               
　　Q1功耗=I2×R，I=1A,RDS(ON)=60mΩ, Q1功耗=60mW
　　D1功耗=I×VF,I=1A,VF =360mV,D1功耗=360mW
　　Q1和D1上的总功耗=420mW
　　MOSFET和肖特基二极管的大批量成本一般为0.175美元。
　　充电电路可以采用低 VCEsat BJT进行配置，以替代 MOSFET和肖特基二极管。由于低VCEsat BJT设计本身即具有此功能，因此无须肖特基二极管。PMU上的控制引脚可提供的最大电流为20mA。PMU可以启动电池电压为 3.0V的快速充电。Q2处于饱和状态时，集电极和发射极电压约为3.0V，因此基极电压为2.3V。在充电电流为1A的情况下，将安森美半导体 NSS35200CF8T1G低VCEsat BJT(最小增益为100)驱动至饱和区所需的基极电流应为10mA。为基极电阻选择200Ω 的标准电阻值后，可以确保低VCEsat BJT处于饱和区，且不超过驱动引脚的限制。
　　调整管Q2和偏置电阻R1上的典型功耗可按以下方式计算：
　　Q2功耗 = I×V, I =1A，VCEsat =135mV，Q2 功耗=135mW
　　R1功耗=I2×R,I=1A，R=200Ω，R1功耗=24mW
　　Q2和R1上的总功耗 = 159mW
　　低VCEsat BJT和电阻的大批量成本一般为0.10美元。
　　从上面的计算可以看出，用低VCEsat BJT和偏置电阻更换MOSFET调整管和肖特基二极管可以为每个器件节约 0.075美元，同时也可使功耗降低261mW，使便携式产品的热设计变得更为简单。
　　更复杂的电路
　　采用MOSFET调整管特别设计的集成电路可能无法提供将低VCEsat BJT直接驱动至饱和区的所需电流。在这些电路中，附加数字晶体管或小型通用MOSFET(Q4)可以按照图3所示进行使用。
　　




　　图3 附加数字晶体管或小型通用MOSFET构成的充电电路成本及功耗
　　结果与充电实例相比不十分明显。节约的成本仍为每个器件0.055美元，功耗相同。
　　使用低VCEsat BJT带来更多优点
　　BJT不易受ESD损害，因此可以不提供额外ESD保护, 这可以节约成本。由于BJT的导通电压较低(典型值： 0.7V)，因此可以不采用MOSFET通常所需的振荡器与电荷泵电路。BJT在转换中等电流时更加高效。