BJT與MOSFET的開關(guān)應用

1、電路中的BJT與MOSFET前段時間，一同學跟我說，他用單片機做了一個簡單的LED臺燈，用PWM的方式控制燈的亮度，但是發(fā)現(xiàn)BJT總是很燙。他給我的電路圖如圖一，我問他3V時LED的發(fā)光電流是多大，他說大概十兒到二十mA,我乂問他電阻多大，他說lOKQo丁是我笑笑說你把電阻小一點就好了。他回去一試，說用了個1KQ的電阻，就沒有任何問題了。我很失望他沒有問我為什么要這么做，這可能是大多數(shù)電子愛好初學者存在的問題，他們的動手能力很強，但是并不注重基本的理論知識。他們大多數(shù)情況下都是“依葫蘆畫瓢”，借用現(xiàn)成的電路使用，就連參數(shù)和器件型號的選擇都疏于考慮。+12VLED燈組（四串五并）令單片機IO輸岀

2、圖一案例一在電子設計制作中，雙極性晶體管（BJT）和金屬氧化物一半導體場效應管（MOSFET）是用得最多的有源器件。這里筆者試圖以H己積累的一些經(jīng)驗來談一下BJT與MOSFET的原理及電路中的具體應用?？紤]到多數(shù)（分立元件）情況下，這兩種器件在現(xiàn)代電子電路中一般作為開關(guān)器件，而恰恰相反的是，我們大多數(shù)的教科書卻著重丁介紹這兩種器件的放大狀態(tài)，所以這里僅討論這兩種器件作為開關(guān)器件時的特性和應用。大多數(shù)人應該都有這么一個概念：BJT為電流控制型器件，MOSET為電壓控制型器件。至丁為什么這么說，通過以下的介紹，讀者應該都能夠很清晰地認識。首先我們來討論BJT作為開關(guān)時的相關(guān)理論和基本應用。圖二所示

3、的電路中，我們從Q的基極注入電流Ib，那沒將會有電流流入集電極，大小關(guān)系為：IlBIb。而至于BJT發(fā)射結(jié)電壓Vbe，我們說這個并不重耍，因為只耍Ib存在且為正值時，這個結(jié)電壓便一定存在并且基本恒定（約0.51.2V,一般的管子取0.7V左右），也就是我們所講的發(fā)射結(jié)正偏。既然Ube是固定的，那么，如果BJT基極驅(qū)動信號為電壓信號時，就必須在基極串聯(lián)一個限流電阻，如圖三。此時，基極電流為lB=（UUbe）/Rbo一般情況省略Rb是不允許的，因為這樣的話Ib將會變得很大，造成前級電路或者是BJT的損壞。圖二BJT開關(guān)基本形式圖二BJT開關(guān)基本形式接下來進入我們最關(guān)心的問題：Rb如何選取。前而說到

4、過IlBIb，為了使晶體管進入飽和，我們必須增加Ib，從而使lc增大，Rc上的壓降隨之增大，氏到Rc上兒乎承受了所有的電源電壓。此時，變得很小，約0.20.3V（對丁大功率BJT,這個值可能達到23V）,也就是我們所說的飽和壓降Uces）。如果達到飽和時，我們忽略Uces,那么就有IcRl=3IbRl=VcCo也就是只要保證IbIc/3或Ib$Vcc/（BRl）時，晶體管就能進入飽和狀態(tài)。我們現(xiàn)在回到文章開頭的例子：Vcc=12V,集電極電流為5個LED并聯(lián)的發(fā)光電流,以單個20mA算，lc=5X20二lOOmAc按照之前的取值，我們可以得到基極電流Ib（5-0.7）/10=0.43mA（假設

5、單片機為TTL電平輸出）。那么要求BJT的N流電壓增益應該滿足BNIc/Ib233。很多讀者會有疑問，這個B值應該是很容易滿足的啊，為什么還會出現(xiàn)前面所講的故障呢？我們看一下圖四所示的曲線，這是我們常用的一款小信號BJT,型號為盯3904的冃流電壓增益曲線。從圖中可以看出，BJT的共射極苴流電壓增益hFE（也就是通常意義下的B）不僅是溫度的函數(shù)，而且與集電極電流有關(guān)。在一定的集電極電流范圍內(nèi)，基本為常數(shù)，室溫下超過200：但是當集電極電流大丁一定值時，hFE就急劇下降。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的機理我們?nèi)芜@里就不討論了?；氐角懊娴睦樱绻@個BJT為MM盯3904,集電極電流達到近100mA,此時的B（

6、或hFE）已經(jīng)下降到只有40左右了（事實上對于其他型號的大多數(shù)小信號BJT都有相同結(jié)論），我們反推一下允許的最大基極電阻值：Ib$100/40二2.5mA,Rb（5-0.7）/2.5二1.72KQ。125eC00125eC001相轡岀wmw-1Ta25c10.11101001000lc集電極電流（mA）圖四直流電壓增益與集電極電流Z間的關(guān)系而實際應用中，并不是越大越好，因為Ib對外電路來說是沒有實質(zhì)作用的,它僅僅是維持BJT可靠導通的必要條件。R越大，驅(qū)動部分的損耗也就越大，從而降低了電路的效率。另外，L的大小不僅決定了BJT能否可靠的導通，同時影響B(tài)JT的開關(guān)速度，這點后面將會提到。下而討論

7、M0SFET,很多初學者對丁這種器件是相當陌生的。仍然是我遇到的一個案例，曾經(jīng)有個同學剛剛接觸機器人，他試圖用M0SFET驅(qū)動機器人上的電機。他當時給我是這樣描述的，他說不管單片機輸出的是PWM波還是高電平信號，電機轉(zhuǎn)速都很慢，并且M0SFET很燙，最終燒壞。當我看到圖（圖五）時，我沒有說話，因為這樣的電路可以看出，他對功率M0SFET基本上沒有概念，在他看來，似乎就和BJT樣使用。12V12V為了初步了解MOSFET,我們這里很有必要介紹一些必須的理論知識。這世僅討論增強型MOSFET,并以N溝道器件為例。對丁分立的增強型MOSFET,襯底一般和源極接到一起，且柵極與襯底間為氧化層，實際上是

8、一層絕緣體。所以柵源之間的電阻非常大，靜態(tài)時，兒乎沒有電流流入柵極。這一點應該是大多數(shù)人都知道的。如圖八，給MOSFET的漏源之間加上正偏電壓，當柵源電壓U：的增加到一定值（即閾值電壓）時，開始有電流b流入漏極。隨著的繼續(xù)增加，Id增大,Rl上承受的電壓也隨之增大。當U：足夠大時，&上承受了兒乎所有的電源電壓，Id也達到一定的值而不再增加。此時MOSFET進入線性區(qū)，漏源之間有一個較小的壓降。但需要注意的是，這個斥降和前面講到的BJT的飽和壓降不同，這個壓降不是一個固定的值，而是與漏源之間的電流Id呈正相關(guān)（兒乎是線性）關(guān)系。這個電壓可以這樣計算：Vdsw二1皿。其中R“為導通電阻，是我們在商

9、品MOSFET的數(shù)據(jù)手冊中常見的一個參數(shù)，它表征著MOSFET的導通損耗。VDDRl】DUi圖六MOSFET開關(guān)基本形式從上面的分析可以得知，MOSFET作為開關(guān)時，我們只耍在柵源之間加一個足夠大的電壓，MOSFET就能充分導通。此時MOSFET的壓降為漏源電流與導通電阻的乘積。不同功率的MOSFET,耍求的柵源電壓不一樣。對丁常見的T0220、T0252封裝的功率MOSFET,通常取這個值為1015V。而對丁SOP8、S0T23等封裝的低壓MOSFET,這個值可以取得低一點。一般的數(shù)據(jù)手冊會給出導通電阻隨柵源電壓變化的曲線。圖七為常用的型號為A03400的低閾值功率MOSFET導通電阻隨柵源

10、電壓變化的曲線圖。圖七導通電阻與柵源電壓Z間的關(guān)系我們注意到，圖中指定了漏源電流為5A,這暗示著MOSFET的導通電阻同時與漏源電流有一定聯(lián)系。我們再看圖八，同樣HTA03400的數(shù)據(jù)手冊。不難看出，在較小時，九并不是一個常數(shù)，而是隨著ID的增加而增大。原因就在丁我們前面提到的，討論導通電阻R“時，應當使得MOSFET充分導通。漏源電流越大，使得MOSFET充分導通將會變得越困難，因為耍求的柵源電壓就會越高。所以，當柵源電壓不是足夠大時，MOSFET并沒有充分導通，MOSFET并沒有進入線性區(qū)，所以導通電阻也就會同時依賴于漏源電流。60Id(A)o圖八導通電阻受漏源電流影響的曲線60Id(A)

11、o圖八導通電阻受漏源電流影響的曲線那乂讀者或許會問，如果圖五案例中的M0SFET改成低閾值的器件是不是就沒有問題了呢？我們說不一定，因為至此，我們還沒有涉及到M0SFET驅(qū)動電壓該怎么加的問題。前而我們說柵源之間的電阻大到兒乎是絕緣體的電阻，那么柵極電阻&的取值可以很大或者很小應該都是沒有問題的。而事實上當對開關(guān)速度沒有耍求時，確實是這樣的，對一般的M0SFET,&的取值從兒歐姆到上兆歐姆都是可以止常開啟的。圖五的案例如果不需要PW調(diào)速或者PW的頻率很低時，把IRF540換成低閾值的M0SFET的話，或許正常工作是沒有問題的。但是我們應該都清楚，M0SFET的柵極和漏源之間都是介質(zhì)層，因此柵源

12、和柵漏之間必然存在一個寄生電容S和Ca,溝道未形成時，漏源之間也有一個寄生電容Cds,所以考慮寄生電容時，M0SFET的等效電路就成了圖九的樣子了。但是，我們從M0SFET的數(shù)據(jù)手冊中一般看不到這三個參數(shù)，手冊給出的參數(shù)一般是Gss、Coss和Crss,它們與Cgs、Ccd、Cos的關(guān)系如下:Ciss二Gs+CeGs短路時),Ciss二Gs+CeGs短路時),Crss二CgdrLJ圖九考慮寄生電容時的M0SFET模型VDDTRl圖十考慮寄生電容時的MOSFET驅(qū)動電路下面看一下這些寄生參數(shù)是如何影響開關(guān)速度的。如圖十，當驅(qū)動信號Ux到來的一瞬間，由于MOSFET處丁關(guān)斷狀態(tài)，此時Qs和5上的電

13、壓分別為IVO,Ugd二-Vd”Cgs和Cgd上的電荷量分別為Qgs二0,3二UgdCgiFVddCgd。接下來Ui通過Rg對Cgs充電，Ucs逐漸升高（這個過程中，隨著升高，也會伴隨著Cco的放電，但是由于Vdd遠大TUcs，5不會導致柵電流的明顯增加）。當達到閾値電壓時，開始有電流過MOSFET（事實上，當還沒有達到閾值電壓時，已經(jīng)有微小的電流流過MOSFET了），MOSFET承受的壓降由原來的Vdd開始減小，Cgd上的電壓也會隨之減小，那么，也就伴隨著的G放電。由于Cgd上的電荷量Qg二VmQ較大，所以放電的時間較長。在放電的這段時間內(nèi)，柵極電流基本上用丁-Ca的放電，因此柵源電壓的增加

14、變得緩慢。放電完成后，4通過&繼續(xù)對Ccs和Cs充電（因為此時MOSFET己經(jīng)充分導通，相當丁-Cgs和4并聯(lián)），直到柵源電壓達到匕，開啟過程至此完成。圖十一的曲線很好地描繪了導通過程中Ugs隨時間變化的曲線。需耍注意的是，由丁驅(qū)動提供的不是電流源，所以實際上的曲線并非肖線，圖十一僅代表上升趨勢。Ui%Ui%圖十一脈沖驅(qū)動FHOSFET柵源電壓上升曲線同時，由上不難看出，Rg越大，寄生電容的充電時間將會越長。顯然，Rg太大時MOSFET不能在短時間內(nèi)充分導通。在高速開關(guān)應用中（如D類功放、開關(guān)電源），這個阻値一般取兒Q到兒十Q。然而，即使是低速情況下，&也不宜取得太大，因為過大的&會延長電容充

15、電的時間，也就是MOSFET從關(guān)斷到充分導通的過渡時間。這段時間內(nèi)，MOSFET處丁飽和狀態(tài)（放大區(qū)），管子將同時承受較大的電壓和電流，從而引起較大的功耗。但是&如果取得太小或者氏接短路的話，在驅(qū)動電壓到來的一瞬間，由丁寄生電容上的電壓為零，前級需要流過一個很大的電流，造成對前級驅(qū)動電路的沖擊?，F(xiàn)在我們應該很清楚圖五案例中的錯誤之處了。第一點，單片機的輸出電壓不足以使得IRF540這種管子充分導通，因此圖中的管子不是開關(guān)，而更像一個放大器；第二，單片機的10驅(qū)動能力不能滿足PWM情況下導通速度的耍求，即使換成低閾值MOSFET,開啟和關(guān)斷的時間太長，MOSFET在這個過渡階段同樣需耍承受很大的

16、功耗。圖十二為高速開關(guān)應用中常見的MOSFET驅(qū)動電路，以一對互補的BJT構(gòu)成射隨器的形式滿足驅(qū)動電流的耍求。其中Q1用丁開啟時對寄生電容的充電，Q2用丁關(guān)斷時對寄生電容的放電。有時候我們需耍得到更快的關(guān)斷速度，通常在柵極電阻R1上并聯(lián)一個快恢復二極管，這樣的話，放電回路將經(jīng)過這個二極管而不是電阻。這樣一個電路用到前面提到的案例中，就沒有問題了。VCCD1圖十二常用的高速驅(qū)動電路而在實際應用中，我們通常還會在MOSFET的柵源之間并聯(lián)一個兒KQ到上白KQ的電阻（如圖十三R2）,這是為了在輸入柵源電壓不確定時（如前級驅(qū)動電路失效），防止MOSFET處丁非理性狀態(tài)。我們可以做這樣一個實驗：連接如圖

17、十四的電路，我們會發(fā)現(xiàn)，即使柵極懸空，LED也會發(fā)光。這說明，柵源之間出現(xiàn)了高丁-閾值的電壓，產(chǎn)生這一電壓的原因是寄生電容上的殘留電荷。殘留電荷使得Ugs高丁閾值電壓但乂不足以使MOSFET充分導通。結(jié)果是MOSFET工作在放大狀態(tài)（飽和區(qū)），管子承受很大的功耗從而造成器件的損壞。這種現(xiàn)象更容易發(fā)生在低閾值電壓的MOSFET中。為了防止這種情況發(fā)生，往往通過柵源間的并聯(lián)電阻泄放寄生電容上的殘留電荷。T)DI圖十三增加泄放電阻的驅(qū)動電路5LED13mmIR1470RMlA03400圖十四殘留電荷導致MOSFET開啟的實驗電路以上討論了BJT和MOSFET的相關(guān)內(nèi)容。在現(xiàn)代的電子電路中，BJT通常

18、作為小信號開關(guān)管使用，而在功率開關(guān)中，MOSFET占據(jù)了絕大部分的市場。耍了解其中的原因，我們結(jié)合實例對這兩種作為開關(guān)器件做一個比較。一、驅(qū)動損耗首先，己經(jīng)提到過，BJT為電流控制型器件，作為開關(guān)時，開關(guān)電流的增加將會導致基極電流成比例地增加，這個比值最大不超過既定電流下的B,而不幸的是，大電流下，這個B往往比較?。ㄒ话銥閮菏仓列10）,那么基極驅(qū)動電流帶來的損耗將變得十分可觀。如果換成MOSFET,靜態(tài)情況下，當柵源電壓達到設定值時，耍維持這一電壓所需的驅(qū)動電流僅為柵源間漏電流，數(shù)量級為uA共至是pA,可以忽略不計。所以，從驅(qū)動損耗來看，MOSFET遠小丁BJT。（這里僅分析靜態(tài)或者低速

19、情況，高速情況下會變得比較復雜）。同時，BJT導通時的基極電流會造成發(fā)射結(jié)電壓鉗位。我們來看一下圖十三。電路設計的初衷是這樣的：當輸入信號U,為高電平時，D1發(fā)光，D2熄滅，當輸入信號匕為低電平時，D1熄滅，D2發(fā)光。也就是說，我們希望得到一組互補的輸出信號。但是仔細看圖，我們會發(fā)現(xiàn)，電路存在嚴重的問題。那就是當U,為低電平時，Q1截止，電流路徑為+5V-R2-D1-R4-Q2基極,此時Q2導通,D2發(fā)光。然而，Q2導通的同時，會將基極電壓鉗位在IV左右,將會有電流流過DI,D1很可能不能完全熄滅。實驗證明，如果D1為一個0805封裝的普通發(fā)光二極管,即使圖中的R4取到10KQ,D1也會存在微

20、亮。這個電路如果用來驅(qū)動的是光耦,而光耦后接其他驅(qū)動電路的話，很可能造成嚴重的故障。這便是基極電流造成的另一個弊端，如果這個電路中的Q2換成MOSFET的話,問題就解決了，但是需耍注意MOSFET的參數(shù)（要求MOSFET的閾值電壓比較低）,并且根據(jù)前面提到的內(nèi)容適當選取R1和R4的阻值。圖十五BJT的B、E結(jié)鉗位造成的故障二導通損耗接下來，我們看一下導通時的損耗。開關(guān)管導通時，對于BJT來說，存在一個近乎常量的飽和壓降Uis,對不同功率級別的管子來說，這個值在兒白mV到兒V之間。而對T-MOSFET而言，這個壓降等丁漏源電流Id和導通電阻Rn的乘積。一般的低壓MOSFET,R“為兒mQ到兒百m

21、Q,而高壓MOSFET的這個值約兒百mQ至IJ兒Q。下面舉一個例子：某個應用中，需要開關(guān)管通過1A的電流，電源電壓為5V。我們分別選擇SOT23封裝的BJT和MOSFET,BJT型號為SS8050（江蘇長電），MOSFET型號為SI2302（VISHAY）o査找數(shù)據(jù)手冊可知,SS8050的飽和壓降UCE（:at）約0.5V,SI2302在柵源電壓5V時的導通電阻為40mQ。那么兩者的功耗分別為如下：對TBJT,Pq=Uce（“Ic二0.5W（對丁-S0T23能否承受這個耗散功率筆者表示質(zhì)疑）；對TMOSFET,Px=rRor=0.04Wo顯然，從導通損耗的角度上來說，MOSFET也遠遠優(yōu)于BJ

22、T。正是由丁功率MOSFET具有極低的導通電阻，因此經(jīng)常用作電源開關(guān)取代機械開關(guān)，同時也廣泛用丁防反接保護電路替代二極管。但是我們需要特別注意的是,用MOSFET作開關(guān)或防反接保護器件時，不要忽視MOSFET內(nèi)部寄生二極管的影響。如圖十八a,我們在電路的電源和負載之間串接一個P溝道的MOSFET,當電源極性沒有接反時，齊納二極管D1使Ml的源極和柵極之間電壓穩(wěn)定在12V左右,Ml導通，負載正常供電。當電源極性接反時，D1正偏，MOSFET的源極和柵極間得到一個約-0.7V的電壓，Ml截止，電源與負載斷開。以上的分析聽起來似乎沒有問題，但是如果我們再看一下圖十六b,問題就一目了然了。b圖中畫出來

23、MOSFET漏極和襯底間的寄生二極管，正是由于這個二極管的存在，使得我們希望得到的保護機制完全失效。當電源極性反接時，Ml內(nèi)部的寄生二極管恰好正偏導通，使得負載和電源之間形成了我們不希累得到的通路。圖十六c給出了防反接保護電路的正確形式。當電源極性正確時，電流經(jīng)過Ml內(nèi)部的寄生二極管使D1反偏擊穿，Ml的源極和柵極之間得到+12V左右的電壓，Ml導通。當電源極性接反時，Ml內(nèi)部的寄生二極管也反偏截止，不存在任何從電源到負載的回路。上述討論的都是MOSFET用于防反接保護的情況，但是如果用作電源開關(guān)，情況和上面討論的恰恰相反，圖十六c中，即使關(guān)斷M1（R1的接地端改為接+24V）,寄生二極管仍然能夠為負載提供供電通道。這個時候，應該選用圖十六b中的電路形式，關(guān)斷Ml時，寄生二極管是反偏的，電源到負載沒有通路。MlIRF9530到負戟DI12VRl2K到負戟DI12VRl2K圖十六MOSFET用于防反接保護電路圖十七給岀了MOSFET用作電源開關(guān)時的完整電路。込為來白MCU或者數(shù)字邏輯輸出的TTL電平（或者CMOS電平）信號，當U,為高電平時，Q1導通，R2、R3的分壓使得Ml源極和柵極間得到12V左右的電壓,Ml導通:Ui為低電平時,Q1截止，Ml的源極和柵極間沒有電壓差,M2截止,此時，R2用于泄放寄生電容上的電荷。對丁-不同的電源電壓，適當改變R2、R3