开关管选择方案

2006-05-07 15:49:49来源: 电子产品世界

    随着便携式电子产品的迅速发展,改善其电源管理性能已成为首要的任务。如何延长便携式产品的电池工作时间是当今的设计人员面临的最大问题之一。

    早期的移动通信产品,其系统的工作时间不超过一小时,这使得它们在使用上缺乏吸引力,而现在的移动电话一般每隔一天才充一次电。这得益于两方面:一方面电池的能量密度有了很大的提高;另一方面其元器件的功耗也在不断降低。比较不同的组件及元器件,会发现简单的开关管有可能导致不希望有的功率损耗或过高的成本。

    为了降低电源管理开关管的成本,ON Semiconductor公司将其重点转向低成本、低功耗的开关管。

    一个例子是MBT35200,它是一款低价、低功耗的双结型功率晶体管(BJT),由于其饱和管压降低,所以功耗也相应减少。这种器件将优先代替更大功率的BJT或者MOSFET,从而降低成本,节省印刷电路板面积,并延长系统的工作时间。

需要MOSFET还是BJY?

   
移动电话中的主开关管目前普遍采用MOSFET。但是,随着双结型晶体管设计的不断优化,开关管的选择逐渐成为问题。在这一点上必须考虑几个基本问题:MOSFET与BJT相比,通常存在以下优点:第一,它是用电压来驱动,几乎没有什么损耗;第二,MOSFET的压降(RDS(ON)*ID)很小,而BJT则需要用电流来驱动且压降在300mV范围内。MOSFET的主要缺点是由于制造掩模工序多而成本较高。

    因此,MOSFET与BJT相比,其价格更贵。MOSFET也因取决于应用的技术缺点而受到损坏。

    在移动电话中,电源电压较低,难以驱动MOSFET,使它获得数据手册上所描述的RDS(ON)值(RDS(ON)值与驱动电压有关,驱动电压越高,RDS(ON)越低),因此不能达到期望的效率。此外,RDS(ON)值将随温度的升高而增加,从25℃升到125℃时其值可增加一倍。所有这些参数的影响必须考虑在内,而且要考虑性价比。

    很显然,标准的BJT不能满足电源管理设计人员的期望,这是由于标准BJT的饱和管压降过高。因此,为了接近理想开关的特性,BJT的饱和管压降必须降到最低。

    MBT35200采用特殊设计,与市场上的同类产品相比,它可以提供很低的饱和管压降以及较高的电流。

典型应用

    2A连续电流、5A峰值电流、耐压35V的MBT35200特别针对移动电话主开关管的需要而设计。当然,这种开关管也能应用于其它场合,例如笔记本电脑、马达控制、低压降功率开关管以及寻呼机等。

    如图1a及图1b所示,开关管的主要功能是控制从A流向B的电流,使用MOSFET或BJT都可以达到这一目的。在某些应用中,需要阻塞反向电流,以防止电流从B流向A。采用MOSFET时,若B电压高于A,则电流会经MOSFET固有的体二极管从B流向A。为弥补这个缺点,需要增加一个低压降二极管,以防止反向电流,例如肖特基二极管。

    因此,总的压降的计算公式为:

    Vdrop=RDS(ON)*ID+Vf

    式中RDS(ON)的值取决于所施加的VGS值,此外,还要考虑温度对它的影响,Vf是肖特基二极管的正向压降。

    为降低总的压降,可以将两个MOSFET背对背串接在一起。这种方式效果很好,但提高了成本。

    在采用低VCEsat的BJT的情况下,开关断开时,Ic电流不会流向任何方向,其压降为

    Vdrop=VCEsat

    从经济角度来看,MOSFET与肖特基二极管的组合方案的成本比MBT35200高出两倍多。此外,低VCEsat方案可以节省电路板空间,并且无需肖特基二极管。

    对于给定的集电极电流Ic,基极电流越高,VCEsat越低。所以为了优化MBT35200的工作性能,需要在VCEsat和基极电流之间寻找一个折衷方案。

表1 MBT35200参数摘要

总功耗(FR4最小焊盘) 1.0W
BVCEO 35V
Ic(连续) 2A
Ic(峰值) 5A
hFE典型值(Ic=2A) 200
VCEsat典型值Ic/IB=50,Ic=1A
                  Ic=100mA
130mV
35mV

    一方面基极电流应尽可能地提高,从而最大程度地降低VCEsat,另一方面基极电流应尽可能地降低,以延长电池的工作时间。

    如果选择hFE为100的管子,驱动电流是集电极电流的1%,因此限制了控制Ic电流吸收的能力。

    MOSFET及BJT的主要优点及缺点已作了回顾。采用MOSFET的方案虽然简单,但成本较高,而且会占用较大的电路板空间。相比之下,MBT35200具有既经济又节省电路板空间的优点。

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