双极型晶体管和MOSFET在电源开关中的应用

在用作电源开关时，双极型晶体管和MOSFET各有优势。本文分析了二者的导通阻抗和驱动要求，并列举了两个应用实例，以便帮助工程师在设计中做出正确选择，发挥系统设计的最佳性能。

近年来业界在MOSFET的技术和市场上投入颇大，对双极型晶体管的关注有所减弱，以致许多设计工程师将其视为一种过时的技术。目前，由于双极型晶体管的性能不断获得提升，它在许多应用中可与MOSFET相媲美，甚至超越后者，本文对两者在电源开关中的应用进行了比较分析。

导通阻抗的比较

设计工程师通常比较关注在给定的击穿电压下的导通阻抗。沟道MOSFET通过增加沟道密度来降低导通阻抗。在击穿电压较低时效果十分显著，不过电流却集中在狭小的沟道区。对于击穿电压高的MOSFET，由于轻掺杂的漏极区阻抗较高，随着击穿电压增高，导通阻抗也会增高，它们之间的关系为：

R_ds(on)( BV^2.6

值得注意的是，在驱动条件正确时双极型晶体管的导通阻抗通常都比同面积的MOSFET更佳(图1)。通过优化工艺技术和芯片布局，可使电压偏置和电流飘移均匀地分布在整个芯片区内，以便尽量增大芯片效率。此外，作为饱和开关工作时，双极型晶体管可从阻性集电极区域的传导调制(conductivity modulation)中受益，从而大幅降低R_ce(sat)。MOSFET却没有任何类似的传导调制机制，这是双极型晶体管的优势之一。如图2所示，Zetex的第三代系列晶体管的击穿电压和集电极-发射极间的关系为：

R_ce(sat) ( BV²

这两个表达式中不同的指数表明，在击穿电压增加时，双极型晶体管比同面积的MOSFET的导通阻抗更佳。例如，额定击穿电压为450V的FMMT459 NPN晶体管电流为150mA，R_ce(sat)的典型值为1.4Ω，可采用SOT-23封装。额定击穿电压类似的同面积MOSFET的导通阻抗则较高，除了电流性能较差，还必须采用D-PAK等封装形式。此外，双极型晶体管的截止电压是双向的，分别为BV_ebo 和BV_eco。由于双极型晶体管具有这一性能，当我们需要双向截止时，便无需串联一个二极管或增加一个背靠背的MOSFET对，从而避免因加入这些器件而产生传导损耗 (见应用实例1)。

开关阻抗与温度的关系是确定电源开关电流特性的另一个重要因素。由于双极型晶体管的增益随着温度上升而增加，同时其V_ce(sat)中的V_be分量减少，因此双极型晶体管R_ce(sat)的增量通常是MOSFET中的R_ds(on)的一半。由于这一特性，在电流密度较高时，双极型晶体管比MOSFET工作时更不易发热，同时比相同面积的MOSFET中的持续电流更高。

驱动要求的差异

双极型晶体管与MOSFET的驱动要求差别极大，在进行比较时应注意这一点。例如，双极型晶体管需要足够的基极电流以便获得最小R_ce(sat)，同时在计算功耗时要考虑到基极驱动损耗。高增益双极型晶体管的这一损耗较小，由于双极型晶体管只需要不到1V的电压便可完全导通，同时具有极佳的温度稳定性，这些特征在低压或电池供电应用中极为有用。而MOSFET的栅极电流只用于对栅极充电和放电。不过，为了获得最小R_ds(on)，栅极驱动电压十分重要，当驱动电压接近栅极阀值电压时，导通阻抗大幅增加。由于这些原因，为了公平地比较图1中所示的各种器件，我们选择了驱动电流和电压的最大值。

作为依靠多数载流子工作的器件，MOSFET的开关速度超过1MHz，从而使其驱动电路有足够大的电流来对寄生电容进行充放电。另一方面，利用它在线性区工作时的大电流及快速开关特性，双极型晶体管通常用作MOSFET预驱动器(见例2)。不过，当双极型晶体管作为饱和开关工作时，在每个开关周期内电荷的累积和消除过程延长了关断时间，将其实际开关速度限制到几百kHz。

由于其本身的特性，MOSFET对ESD十分灵敏，当静电电荷引起栅极电压超过其击穿电压时，它会出现突变失效。如果装配正确，可以将ESD失效降至最低，但却无法完全消除。相比之下双极型晶体管则比较迟钝，可轻易通过标准人体ESD测试。

上述多个因素均会影响电路总成本。了解每种技术的优缺点可获得最佳的性价比。双极型晶体管和MOSFET主要特性区别如表1所示。

应用实例

例1：线性电池充电器

线性充电器十分小巧而且设计简单，不产生电磁干扰(EMI)，因此适用于低噪声环境。它们采用一个外部滤波元件将输入电源的电压降低到电池电压，因此功耗较高。下图为一个带有ZXT13P20的典型线性充电器电路。晶体管的功耗主要为集电极-发射极间功耗。

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

其中V_SENSE =I_CHG×R_SENSE (V)

器件选择标准通常包括电流特性、电流增益、成本及封装损耗。由于双极型PNP晶体管的双向截止性能，它们适用于在此类场合，而MOSFET则需要串联一个肖特基二极管，以防止电流从电池逆向涌入电源。

例2：MOSFET栅极驱动器

大电流低R_ds(on)的MOSFET具有栅极电容，需要若干安培的电流来成功驱动其高频动作。预驱动器件常常通过一个电阻为MOSFET供电，因此栅极电压随一个特定的RC时间常数而变化。这一时间必须足够短，以便保证电流经过线性区时不产生额外损耗，但又不能太短，以免引起EMI问题。

开关过程中的平均栅极电流可通过下式计算：

I_g=Q/t

其中：

I_g是平均栅极电流，Q是栅极总电荷(Q_gs+Q_gd)，t是开关时间(t_开或t_关)。

例如，典型的100V、35mΩMOSFET需要近50nC，因此栅极需要2.5A的电流，以便使器件的开关时间小于20ns。

栅极驱动器解决方案包括专用IC驱动器、逻辑IC、离散MOSFET和双极型晶体管。选择标准通常包括开关速度和电流特性、电流增益、成本和尺寸。在这些可选器件中，双极型晶体管在线性模式下可快速开关、并具有大脉冲电流及高电流密度(从而可降低尺寸和成本)等特性，因此非常适用。双极型不可逆图腾柱(即推拉式，totem-pole)驱动器是最常用且最具有成本效益的驱动电路之一。

在上例中，如果要求MOSFET在5V电源驱动时的开关速度为1MHz，则每个驱动器晶体管的功耗为：

Pd=((V_驱动*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)

假设基极电流来自V_驱动，则驱动电路的总损耗为：

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

=((5*2.5*2E^-8*10⁶)(2)+((5*8.3)(2)

=146(mW)

由于两个器件的总功耗仅为256mW，因此选择小型表面贴装双极型晶体管比较理想。

作者：Peter Blair

离散产品开发部经理

Zetex公司

Email: lcollier@zetex.com