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新型低VCEsat BJT技術(shù)為傳統(tǒng)的平面MOSFET(電流介于500mA與5A之間的應(yīng)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(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出成本更低、更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品。
便攜式產(chǎn)品(如手機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、DVD播放器、MP3播放器和個(gè)人數(shù)字助理)的設(shè)計(jì)人員一直面臨著壓力，既要縮減材料成本，又不能影響產(chǎn)品的性能，這對(duì)設(shè)計(jì)人員而言是真正的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄兗纫黾赢a(chǎn)品新特性，又不能對(duì)電池使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。
大多數(shù)便攜式產(chǎn)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(chǎn)品中的不同功能而設(shè)計(jì)，包括電池充電、電池管理、過(guò)壓保護(hù)、 背光、振動(dòng)器、磁盤驅(qū)動(dòng)器和外圍設(shè)備的控制、為照相機(jī)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(jí)調(diào)整管。然而， 如果將電流控制在500mA～5A的范圍內(nèi)，外部調(diào)整管(MOSFET)是首選的典型設(shè)計(jì)。本文將對(duì)MOSFET和低VCEsat雙極結(jié)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(shí)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(zhǎng)。更低的VCEsat BJT器件采用了20多年前開(kāi)發(fā)出來(lái)的技術(shù)。如今，該項(xiàng)技術(shù)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìng)爭(zhēng)力。
設(shè)計(jì)考慮因素
MOSFET是一個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)器件，而低VCEsat BJT 是電流驅(qū)動(dòng)器件。因此，設(shè)計(jì)人員需要了解所用PMU 控制電路的電流極限，該P(yáng)MU 控制電路用以確定采用低VCEsat BJT進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)基極電流最小必須達(dá)到10mA，以確保低VCEsat BJT達(dá)到飽和狀態(tài)。控制引腳必須能夠?yàn)榈蚔CEsat BJT提供10mA電流以進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，否則需要額外的驅(qū)動(dòng)段。
充電電路實(shí)例分析
從便攜式產(chǎn)品的充電電路可看出(見(jiàn)圖1、2)，采用低VCEsat BJT 和一個(gè)電阻替代調(diào)整管Q1(功率MOSFET 2A, 20V, TSOP6 封裝)和阻塞肖特基二極管D1。在這個(gè)實(shí)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。
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圖1 MOSFET 和肖特基二極管構(gòu)成的充電電路成本及功耗
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圖2 采用低VCEsat BJT和偏置電阻構(gòu)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(dǎo)通外部調(diào)整管Q1，且充電電流設(shè)為1A。串聯(lián)的肖特基二極管D1需阻塞電池的反向電流。
調(diào)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(jì)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(jìn)行配置，以替代 MOSFET和肖特基二極管。由于低VCEsat BJT設(shè)計(jì)本身即具有此功能，因此無(wú)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(dòng)電池電壓為 3.0V的快速充電。Q2處于飽和狀態(tài)時(shí)，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(dǎo)體 NSS35200CF8T1G低VCEsat BJT(最小增益為100)驅(qū)動(dòng)至飽和區(qū)所需的基極電流應(yīng)為10mA。為基極電阻選擇200Ω 的標(biāo)準(zhǔn)電阻值后，可以確保低VCEsat BJT處于飽和區(qū)，且不超過(guò)驅(qū)動(dòng)引腳的限制。
調(diào)整管Q2和偏置電阻R1上的典型功耗可按以下方式計(jì)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(jì)算可以看出，用低VCEsat BJT和偏置電阻更換MOSFET調(diào)整管和肖特基二極管可以為每個(gè)器件節(jié)約 0.075美元，同時(shí)也可使功耗降低261mW，使便攜式產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單。
更復(fù)雜的電路
采用MOSFET調(diào)整管特別設(shè)計(jì)的集成電路可能無(wú)法提供將低VCEsat BJT直接驅(qū)動(dòng)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?qǐng)D3所示進(jìn)行使用。
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圖3 附加數(shù)字晶體管或小型通用MOSFET構(gòu)成的充電電路成本及功耗
結(jié)果與充電實(shí)例相比不十分明顯。節(jié)約的成本仍為每個(gè)器件0.055美元，功耗相同。
使用低VCEsat BJT帶來(lái)更多優(yōu)點(diǎn)
BJT不易受ESD損害，因此可以不提供額外ESD保護(hù), 這可以節(jié)約成本。由于BJT的導(dǎo)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(zhuǎn)換中等電流時(shí)更加高效。