低VCEsat雙極結晶體管和MOSFET的比較

新型低VCEsat BJT技術為傳統(tǒng)的平面MOSFET(電流介于500mA與5A之間的應用)提供了一種可行的低成本替代方案。采用低VCEsat BJT有助于設計人員設計出成本更低、更具競爭優(yōu)勢的產品。

　　便攜式產品(如手機、數(shù)碼照相機、數(shù)碼攝像機、DVD播放器、MP3播放器和個人數(shù)字助理)的設計人員一直面臨著壓力，既要縮減材料成本，又不能影響產品的性能，這對設計人員而言是真正的挑戰(zhàn)，因為他們既要增加產品新特性，又不能對電池使用壽命產生負面影響。

　　大多數(shù)便攜式產品正向著集成電源管理單元(PMU)電路的方向發(fā)展，這種電路專為控制產品中的不同功能而設計，包括電池充電、電池管理、過壓保護、 背光、振動器、磁盤驅動器和外圍設備的控制、為照相機和閃光燈單元供電等。將電流控制在500mA以下的電路一般都嵌在PMU中，包括末級調整管。然而， 如果將電流控制在500mA～5A的范圍內，外部調整管(MOSFET)是首選的典型設計。本文將對MOSFET和低VCEsat雙極結晶體管(BJT) 做一比較，可以看出采用后者不僅可以降低功耗，同時還可以節(jié)約成本。

　　低VCEsat BJT與MOSFET功能相同，但是成本更低，且在許多情況下，其功耗更低，因此電池使用壽命更長。更低的VCEsat BJT器件采用了20多年前開發(fā)出來的技術。如今，該項技術著眼于降低正向飽和電壓，以獲得極低的正向電阻。在電流為1A的情況下，一些新型低 VCEsat BJT目前的飽和電壓遠遠低于100mV。這意味著正向電阻低于100mΩ，因此與成本較高的MOSFET相比，極具競爭力。

　　設計考慮因素

　　MOSFET是一個電壓驅動器件，而低VCEsat BJT 是電流驅動器件。因此，設計人員需要了解所用PMU 控制電路的電流極限，該PMU 控制電路用以確定采用低VCEsat BJT進行設計時的特定電路要求。例如，如果低VCEsat BJT要控制1A電流，且其最差情況下的放大倍數(shù)為100，此時基極電流最小必須達到10mA，以確保低VCEsat BJT達到飽和狀態(tài)?？刂埔_必須能夠為低VCEsat BJT提供10mA電流以進行直接驅動，否則需要額外的驅動段。

　　充電電路實例分析

　　從便攜式產品的充電電路可看出(見圖1、2)，采用低VCEsat BJT 和一個電阻替代調整管Q1(功率MOSFET 2A, 20V, TSOP6 封裝)和阻塞肖特基二極管D1。在這個實例中，低VCEsat BJT比典型MOSFET節(jié)約了0.10美元的成本，且功耗降低了261 mW。

　　圖1 MOSFET 和肖特基二極管構成的充電電路成本及功耗

　　圖2 采用低VCEsat BJT和偏置電阻構成的充電電路的成本及功耗

　　鋰離子電池的充電控制器件均嵌在PMU中。PMU控制引腳變高以導通外部調整管Q1，且充電電流設為1A。串聯(lián)的肖特基二極管D1需阻塞電池的反向電流。

　　調整管Q1和反向阻塞二極管D1上的典型功耗可按以下方式計算：

　　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上的總功耗=420mW

　　MOSFET和肖特基二極管的大批量成本一般為0.175美元。

　　充電電路可以采用低 VCEsat BJT進行配置，以替代 MOSFET和肖特基二極管。由于低VCEsat BJT設計本身即具有此功能，因此無須肖特基二極管。PMU上的控制引腳可提供的最大電流為20mA。PMU可以啟動電池電壓為 3.0V的快速充電。Q2處于飽和狀態(tài)時，集電極和發(fā)射極電壓約為3.0V，因此基極電壓為2.3V。在充電電流為1A的情況下，將安森美半導體 NSS35200CF8T1G低VCEsat BJT(最小增益為100)驅動至飽和區(qū)所需的基極電流應為10mA。為基極電阻選擇200Ω 的標準電阻值后，可以確保低VCEsat BJT處于飽和區(qū)，且不超過驅動引腳的限制。

　　調整管Q2和偏置電阻R1上的典型功耗可按以下方式計算：

　　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上的總功耗 = 159mW

　　低VCEsat BJT和電阻的大批量成本一般為0.10美元。

　　從上面的計算可以看出，用低VCEsat BJT和偏置電阻更換MOSFET調整管和肖特基二極管可以為每個器件節(jié)約 0.075美元，同時也可使功耗降低261mW，使便攜式產品的熱設計變得更為簡單。

　　更復雜的電路

　　采用MOSFET調整管特別設計的集成電路可能無法提供將低VCEsat BJT直接驅動至飽和區(qū)的所需電流。在這些電路中，附加數(shù)字晶體管或小型通用MOSFET(Q4)可以按照圖3所示進行使用。

　　圖3 附加數(shù)字晶體管或小型通用MOSFET構成的充電電路成本及功耗

　　結果與充電實例相比不十分明顯。節(jié)約的成本仍為每個器件0.055美元，功耗相同。

　　使用低VCEsat BJT帶來更多優(yōu)點

　　BJT不易受ESD損害，因此可以不提供額外ESD保護, 這可以節(jié)約成本。由于BJT的導通電壓較低(典型值： 0.7V)，因此可以不采用MOSFET通常所需的振蕩器與電荷泵電路。BJT在轉換中等電流時更加高效。