【導(dǎo)讀】數(shù)字開關(guān)通常使用MOSFET來創(chuàng)建，但是對于低飽和電壓的開關(guān)模型，雙極結(jié)型晶體管已成為不容忽視的替代方案。對于低電壓和低電流的應(yīng)用，它們不僅可以提供出色的電流放大效果，還具有成本優(yōu)勢。
數(shù)字開關(guān)通常使用MOSFET來創(chuàng)建，但是對于低飽和電壓的開關(guān)模型，雙極結(jié)型晶體管已成為不容忽視的替代方案。對于低電壓和低電流的應(yīng)用，它們不僅可以提供出色的電流放大效果，還具有成本優(yōu)勢。
雙極結(jié)型晶體管可為移動設(shè)備提供更長的使用壽命。
圖：IBPhotography/Shutterstock
在負載開關(guān)應(yīng)用中，晶體管需要精確地放大基極電流，使輸出電壓接近零，以便僅測量晶體管的飽和電壓。MOSFET通常用于這項用途，因為它們不需要任何底層控制器作為電壓控制組件。另一方面，雙極結(jié)型晶體管(BJT)是需要能夠連續(xù)傳輸電流的底層控制器的電流控制組件。
不過，具有更高的電流增益(hFE)和更低的飽和電壓(VCEsat)的雙極結(jié)型晶體管可以實現(xiàn)更低的基極電流。它們較高的電流增益降低了基極電流的要求，由此可以由單片機直接開關(guān)。例如，如果晶體管需要傳導(dǎo)1 A電流并且電流增益為100，則基極電流至少需要10 mA，以確保晶體管飽和。如果晶體管可以提供500的電流增益，則2 mA電流就足夠了。
而且，雙極結(jié)型晶體管還可通過基極偏置電阻器和基極-發(fā)射極電壓(VBE)大大減少損耗。如果晶體管用作低頻開關(guān)，則較低的飽和壓降可以減少集電極-發(fā)射極的功耗，并在標準化芯片表面上實現(xiàn)更高的集電極電流(IC)。
因此，對于全導(dǎo)通狀態(tài)，低飽和電壓雙極結(jié)型晶體管只需要0.3至0.9 V的低基極-發(fā)射極電壓，非常適合低壓開關(guān)應(yīng)用。控制電壓適用于整個工作溫度范圍。
如果雙極結(jié)型晶體管用作飽和開關(guān)，還會影響集電極區(qū)域的電導(dǎo)率，從而在飽和時大幅降低集電極-發(fā)射極的電阻(RCE(sat))。MOSFET則不具有這種電導(dǎo)率影響，但這確實增加了基極的反向恢復(fù)時間，意味著開關(guān)周期變得更長。
由于渡越頻率的緣故，雙極結(jié)型晶體管只能用于涉及幾百kHz頻率的應(yīng)用。使用渡越頻率除以電流增益因數(shù)則產(chǎn)生截止頻率。這被定義為電流增益降至–3 dB的閾值(即0.707因數(shù))。因此在應(yīng)用中與截止頻率保持一定距離是很重要的。
延長移動設(shè)備的使用壽命
由于低飽和電壓雙極結(jié)型晶體管具有高增益性能，其效率也比常規(guī)的BJT和MOSFET更高，因此當(dāng)與基極電阻器結(jié)合使用時，它們可以替代MOSFET和肖特基二極管。這樣提供了更長的電池充電使用壽命和降低的組件成本優(yōu)勢，尤其是在移動和/或電池供電應(yīng)用(例如電動牙刷、剃須刀或手持式攪拌器)中。相比ESD容限超過8,000 V的MOSFET，雙極結(jié)型晶體管對靜電放電(ESD)的敏感性要低得多，并且它們還具有防止電壓尖峰的內(nèi)部保護功能。
晶體管的增益隨著溫度的升高而進一步增加。同時，在最大允許基極電流下，基極-發(fā)射極電壓相對于正向電壓(VBE(sat))的占比減小了。結(jié)果，對于BJT，飽和時的集電極-發(fā)射極電阻(RCE(sat))低于相近MOSFET的導(dǎo)通電阻(RDS(on))。與芯片表面積相同的MOSFET相比，BJT在較高的電流密度和/或在連續(xù)電流下產(chǎn)生的熱量也較少。
同樣，在給定的負載電流下，飽和電壓仍與功率損耗成比例。因此，低飽和電壓雙極結(jié)型晶體管具有較低的功率損耗，從而降低了散熱需求。考慮到總體功率損耗，控制基極所產(chǎn)生的損耗是不容忽視的。當(dāng)使用具有較高增益的低飽和電壓雙極結(jié)型晶體管時，它們也比較低。
雙極結(jié)型晶體管的另一個優(yōu)點是它們可以在兩個方向上截止，從而無需額外的反并聯(lián)MOSFET。BJT晶體管也更便宜，相比MOSFET具有明顯的成本優(yōu)勢。
高開關(guān)性能
BJT可以提供優(yōu)于最大允許功率損耗很多倍的開關(guān)性能，因為作為開關(guān)工作的晶體管具有兩個固定的工作點。如果足夠的基極電流流入第一個，將導(dǎo)致集電極電流閉合開關(guān)，這個開關(guān)兩端僅存在殘余電壓降。由于第二工作點的基極電流為零，因此具有全部工作電壓的晶體管用作阻斷。兩個工作點之間的過渡非常快速。這樣可以將負載線放置在適當(dāng)?shù)奈恢茫沟脧膶?dǎo)通到受阻晶體管(反之亦然)的過渡足夠快速以穿過功率損耗雙曲線，且不會發(fā)生得太頻繁。固定工作點僅需位于雙曲線的下方。
由于BJT能夠在線性范圍內(nèi)進行非常快速的開關(guān)運作，并提供具有高電流密度的高脈沖電流，因此它們適合用作控制MOSFET的驅(qū)動器。相比專用IC驅(qū)動器解決方案，這可以減小尺寸并降低成本。
Diodes的45 V NPN小信號雙極結(jié)型晶體管BC847BFZ相比同類DFN1006、SOT883和SOT1123組件體積減小40%，并具有更高的性能。
圖源：Diodes
小組件、高性能
低飽和電壓雙極結(jié)型晶體管通常在SOT封裝中具有12至100 V的最大集電極-發(fā)射極電壓(VCEO)和高達幾安培的集電極電流。目前，世界上最小的雙極結(jié)型晶體管采用了Diodes的DFN0606-3超小型封裝。45 V NPN小信號雙極結(jié)型晶體管BC847BFZ的占位面積僅為0.36 mm2，高度僅為0.4 mm，相比相近的DFN1006、SOT883和SOT1123組件體積減小了40%，并且性能優(yōu)于外形更大的相近晶體管產(chǎn)品。這是因為無鉛封裝允許實現(xiàn)更高的功率密度，而熱性能為135°C/W。Diodes的產(chǎn)品模型允許低壓應(yīng)用實現(xiàn)低于1 V的電壓開關(guān)操作，可讓移動設(shè)備以最小的功率完全開啟。它們具有100 mA的集電極電流和925 mW的功率損耗，特別適合智能手表、健身工具等可穿戴設(shè)備，以及智能手機和平板電腦等其他消費類設(shè)備。相對應(yīng)的PNP晶體管產(chǎn)品是BC857BZ。
結(jié)論
對于許多電路應(yīng)用而言，具有低飽和電壓的BJT不僅可以替代MOSFET，而且還具有許多優(yōu)勢——例如導(dǎo)通電阻低、控制電壓低于1 V、具有出色的溫度穩(wěn)定性以及對ESD不敏感。由于BJT可以在兩個方向上阻斷電流，因此可以省去第二個MOSFET。低飽和電壓雙極結(jié)型晶體管的功率損耗和產(chǎn)生的熱量輸出較低，而且價格也比較低。
（來源：儒卓力，作者：儒卓力標準產(chǎn)品產(chǎn)品經(jīng)理Thomas Bolz）
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