BJT与(MOS)FET切换微控制器的负载


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我想知道选择双极结晶体管(BJT)与场效应晶体管(FET)(MOSFETJFET)来切换微控制器负载的原因是什么。在我们的假设情况下,假设负载需要的电流超过微控制器可以提供的电流,并且问题是,在不考虑“易用性”的情况下,哪些考虑因素会偏向于或不利于BJT和FET开关设计。

这个问题是何时使用什么晶体管问题的更具体的版本 。



@LeonHeller谢谢,我没有看到。我要问的是这个问题减去MOSFET开关通常更合适的假设。
angelatlarge

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@LeonHeller可能重复,但是这里给出的答案要实质得多。很多。
Passerby 2013年

为什么我们如此喜欢IGBT中的BJT级,以至于为此我们有特殊的晶体管?
jippie

Answers:


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部分答案-可能会很长-以后可能会增加更多答案:

在这种情况下,通常选择双极性或MOSFET。到达JFET后,您可能还需要考虑SCR / TRIAC,IGBT等。您可能希望将双极-达灵顿(Darlington)混在一起。

简短:类似-

  • 高达500 mA和30 V负载电压的小型双极型晶体管成本低廉,可以通过驱动电压上调1V来驱动,需要大多数处理器都可提供的驱动电流,并且这种电流得到广泛使用。

    • 在开/关模式下运行时通常不需要散热,或者散热适中(PCB铜通常适中),SOT23或TO92尺寸的封装通常就足够了。当驱动线性负载且功耗增加时,需要的VI产品越低,和/或散热越好,和/或封装越大。

    • 单电阻驱动器可提供10 kHz的频率,RC驱动器稍微复杂些可提供100 kHz的频率,并且要格外小心。更高再获得专家

    • 在此范围内的易用性通常与MOSFET一样好或更好,并且成本较低。

  • 对于10伏至100伏以上的电流,电流约为500毫安至10安培,MOSFET通常更易于使用。对于DC或低频开关(例如<1 kHz),对于选定的零件,可以在典型的微控制器级别上直接进行DC栅极驱动。
    随着频率的增加,需要更复杂的驱动器在足够短的时间内对栅极电容(通常在NF附近)进行充电和放电,以保持过渡期间的开关损耗足够低以至于可以接受。在10 kHz-100 kHz范围内,通常使用2个或3个豆形BJT的简单驱动器就足够了。(因此,如果使用MOSFET,则需要添加2个或3个BJTS)。可以提供专业的驱动器IC,但通常不需要或成本合理

  • 对于更高的电压和/或更高的频率,双极性开始再次赢得胜利。
    存在专门的双极型设备,例如TV线路输出设备(即?:-),其运行电压约为1 kV,β约为3(!!!)。由于基本功率〜= Vdrive x Idrive和Vload >>> Vbase,所以Ibas〜= Iload并不太重要。

  • IGBT是一种尝试(通常是成功的)与野兔一起运行并追逐猎犬的尝试-它使用MOSFET输入级来获得低驱动功率,并使用双极输出级来获得高频性能下的高压。

  • 达林顿晶体管(两个“双极串联”)(很可能是“达林顿对”)具有非常高的Beta(1000+通用),其代价是Vdrive = 2 x Vbe(单个BJT的1 x Vbe相对) Vsat> Vbe的输出晶体管,如果硬驱动到饱和状态,则明显不愿意关断。限制基本驱动以停止饱和速度减慢会进一步增加Vast_minimum。

    • 我最喜欢的老式电源,但有用的开关稳压器MC34063包括功能强大的输出驱动器,它是达林顿对。它很有用,但必须在全速[tm]〜100 kHz的全速下避免饱和,因此当输出饱和的Volt +大大降低负载驱动电压时,效率会在低Vsupply时降低。

    • 小型达林顿晶体管可以从1.5V驱动(更好),每安培负载通常<= 1 mA。如果输出饱和是可以接受的,那么它们将非常有用。

    • 有用且流行的ULN200x和ULN280x十六进制和八进制驱动器IC使用集电极开放式达林顿,每个通道额定电流为500 mA(理想情况下并非一次全部实现)。输入电压有多种版本,有些甚至无需电阻即可适用于直接处理器驱动。ULM2003和ULN2803是最著名的处理器,但不一定是最有用的处理器驱动器应用程序。


考虑因素包括但不限于功率水平,驱动电压,负载电压,可用驱动水平,开关速度,所需的简易性,散热,效率,制造量和商业/业余爱好者,成本...。

在低功率水平和适度电压下(例如10伏特,并且在500 mA以下(可能高达几安培)),小双极性可能是一个不错的选择。驱动电流约为Iload / Beta(Beta =电流增益),Beta 0f 100至250 at 500 mA可提供性能更好的零件,而500+具有专业的零件。例如BC337-400(我最喜欢的TO92 BJT接头)的Beta Beta为250-600,其sqrt(250 x 600)~~ = 400,因此是零件名称。“保证的” Beta为250(请检查数据表)允许每mA驱动器Iload为250 mA。使用2 mA驱动器-大多数(但不是所有)处理器都可以使用-您可以获得500 mA的负载电流,尽管不会有更多驱动器误入歧途。这可以通过1V或更高的驱动电压来实现,因此运行在3V3甚至2V电压下的处理器可能可以正常运行。具有足够低的Vgsth(栅极阈值电压)的MOSFET可以在这些驱动电压下运行,但在几伏驱动下,它们变得越来越稀有和专业。所需的最小驱动电压通常为伏特或略高于Vgsth(在每种情况下,请参见数据表)。

双极具有导通状态压降(Vsat),取决于负载电流,驱动电流和特定的器件类型。在额定电流下,只有十分之几伏的Vsat是非常好的,可能典型值是500 mV,而且绝对未知。MOSFET的导通电阻为Rdson而不是Vsat。Rdson至少取决于驱动电压,负载电流和设备。Rdson随着温度升高而增加,并且可能超过环境温度值的两倍。请格外小心-数据表通常会作弊,并给Rdson施加脉冲负载,并说1%的占空比和足够低的频率以允许脉冲之间的芯片冷却。很调皮。根据经验,在“愤怒”中使用时,根据经验值可以得出两倍的公布值,尽管有些零件可以说仅比环境温度到最高温度高20%-每种情况请参见数据表。

在500 mA时具有100 mV Vsat的双极具有R = V / I = 0.1 / 0.5 = 200毫欧的等效电阻。MOSFET很容易改善Tjis的数字,Rdson说通常为50毫欧,合理地提供5毫欧以下,有特殊需求和更大钱包的人可用1毫欧。


补充:当您需要从Andy Aka的答案中得到2分扩展时,这是一个漫长而有用的工作。

@Andy aka在他的回答中提出了两个非常好的观点,这是我上面的回答所遗漏的。我将重点更多地放在开关和负载驱动方面。

安迪(不是用这些话)指出:

(1)与BJT相比,MOSFET“源极跟随器”的输入和输出之间的电压定义不明确,并且对器件的依赖性更大。当用作发射极跟随器时,“参考”电压被施加到基极,而输出电压则取自发射极,BJT在典型操作中会从基极到集电极下降“约” 0.6V dc。在极端的设计中(非常低的电流或非常高的电压)可以预期电压低至约0.4V至高至0.8V。一个以栅极为基准并从源极输出的MOSFET源极跟随器将从栅极到源极+至少降低Vgsth +所需的额外栅极电压来支持汲取的电流-通常高0.1至1伏,但在高负载或高负载时可能为2V +低规格设备示例。Vgsth与设备有关,大约为0。5V表示6V +,通常为2至6V。因此,源极跟随器压降可能在大约0.5V(稀有)至7V +(稀有)之间。

(2)晶体管是1象限器件(例如NPN =栅极+ ve,集电极+ ve,两个wrt发射极用于接通,但“ Y”的负Y轴轨迹未定(基极零,集电极为负,对于当器件关断时,反向偏置的MOSFET会在漏极源极两端提供一个正向二极管衬底二极管;当MOSFET关断但正向偏置时,它会很好地近似于一个小电容。 ,随着电压的升高,超过0.8V峰峰值的交流信号越来越多地夹在反向偏置半周期上,可以通过将两个相同类型的MOSFET串联串联来克服这种影响。作为浮点中点,以vin和vout的任一个漏极流失。这种安排可带来真正超赞和有用的开关,并且会导致那些不认为MOSFET在象限1和3中导通的人刮伤头部(对于N沟道FET,象限1 = DS +,SG +。象限3 = DS -SG +)。


……我将要说的是完全相同的…………我不喜欢MOSFET,但这已不是什么秘密了,但是不同的情况在不同的情况下会占有一席之地。
Kurt E. Clothier

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在低压逻辑电路的发射极跟随器应用中,BJT可能会在发射极传送货物,而等效FET电路的栅极-源极电压变化会大得多,这将导致结果不一致。

我想举一个例子,向BJT施加电压以设置发射极电阻两端的电压,以使集电极负载中的电流“恒定”。我正在尝试一个不错的实际示例,但是什么都没想到-好的,是的,控制激光二极管的偏置点!

概括地说,我认为任何需要电压跟随器类型的配置都更适合BJT,尤其是在逻辑电源非常低(即3V3或更低)的情况下。

也许还,如果需要通过使用钳位晶体管使交流信号(如来自麦克风放大器的信号)静音,则双极型可“承受”来自收集器上交流电的几伏反向偏置(当不静音时),而使用FET可能会在一个半周期内将未静音的信号削波一点。

不过,JFET在此应用中会更好。


安迪(Andy)-除了我的回答之外,我还针对您提到的两个我没有提到的极端观点进行了扩展。
罗素·麦克马洪

@RussellMcMahon-刚读完,全方位的回答
Andy又名

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