专家答疑：反激式转换器中工程师为何“偏爱”BJT
品慧电子讯当第一次接触使用1款BJT设计开关电源时，大家肯定很好奇为什么设计人员会使用BJT而不是FET。然而，双极性晶体管具有较低成本和较高电压额定值，是这些低功耗应用的可行选项。原来是因为在基本了解双极性晶体管的工作情况和几何构造后，就可估算晶体管的传导及开关损耗。在USB适配器、手机充电器以及系统偏置电源等大量低功耗应用中，低成本准谐振/非连续模式反激式转换器是常见选择（图1）。这类转换器设计效率高，成本极低。因此为什么不考虑在自己的设计中使用双极性节点晶体管(BJT)呢？ 这样做有两个非常有说服力的理由：一个是BJT的成本远远低于FET；另一个是BJT的电压等级比FET高得多。这有助于设计人员降低钳位电路和/或缓冲器电路的电气应力与功耗。使用BJT的唯一问题是许多工程师已经习惯于FET，或是在他们的电源转换器中从来不将BJT用作主开关(QA)。本文将探讨如何估算/计算在非连续/准谐振模式反激式转换器中使用的NPNBJT的损耗。
图1：离线高电压BJT适配器反激电路 在深入探讨计算BJT损耗的方法之前，需要对双极性晶体管模型做一个基本了解。一个双极性晶体管的最简单形式是一个电流控制型电流汲/开关。基极(B)输入可控制从集电极(C)流向发射极(E)的电流。图2是NPNBJT的概念和原理图。该器件掺杂有两个被P（正电荷原子）掺质区隔开的N（负电荷原子）半导体区。基极与P材料相连，而发射极和集电极则分别连接至晶体管的两个N区域。
图2：BJT半导体(a)和原理图符号(b) 基极发射极结点的功能与二极管类似。在基极发射极结点施加正电压，会吸引N材料（与发射极(E)连接）的自由电子。这些自由电子迁移到P材料中后，会造成N材料的自由电子匮乏。N材料中的自由电子匮乏会从偏置电源（与基极和发射极相连）的负端吸引电子，形成完整电路允许电流通过。B节点和E结点的负偏置会导致多余电子从P材料中吸引出来。这会断开电路，阻止电流流动，就像对二极管进行反向偏置一样。 在基极发射极结点处于正向偏置，而集电极至发射极路径为偏置时，这可打开洪流栅极，允许电流流动。连接至集电极的正偏置会吸引自由电子流向集电极端，在N材料中形成电子匮乏。这可吸引来自基极的电子，将其耗尽在N材料中。现在电流就可流经集电极和发射极的耗尽层，形成完整电路。集电极电流(IC)的数量可能会比基极电流(IB)多好几个数量级。IC与IB之间的比值一般称为晶体管的DC电流增益。在产品说明书中也可表达为Beta(β)或hFE。注意，在晶体管产品说明书中，该比值在特定条件下给出，可能会有明显的变化。
场效应晶体管(FET)是中间功耗范围（30W到1KW）的热门选择，因为FET的传导损耗普遍小于BJT的传导损耗。但在偏置电源与适配器等15W至30W的低功耗应用中，开关电流较小。因此，BJT可用于发挥较低成本及较高电压额定值的优势。但这类器件并不完美，在设计过程中需要应对一些不足。1234下一页> - 第一页：深入了解双极性晶体管模型
- 第二页：探讨计算BJT损耗的方法
- 第三页：反向恢复与基极电流的耗尽
- 第四页：晶体管损耗估算
图3：控制器基极驱动器内部电路 要计算此类低功耗反激式应用中BJT的功耗情况，需要基本了解BJT的波形（图4）。注意，BJT集电极电压(VC)、集电极电流(IC)以及电流传感电阻器电压(VRCS)可被截断5WUSB适配器。基极电流(IB)和输出二极管电流(IDC)只是画出来表现对应的电流，可能不是实际量级。
图4：准谐振反激式转换器中BJT的开关波形在t1时间段的起点，集电极电流为0。基极使用19mA的最小驱动电流(IDRV(MIN))驱动，该电流可逐步递增至37mA的最大驱动电流(IDRV(MAX))。由于集电极电流是从0开始的，因此在开关周期的起点为基极提供最大驱动电流既没必要，也无效率。开关保持导通，直至达到最大驱动电流为止，该最大驱动电流可通过控制器控制律确定。初级电流通过电流传感电阻器(RCS)感应。在t1时间段内，变压器(T1)通电，BJT驱动到饱和状态。一旦在t1终点达到所需电流时，就可通过FET将BJT的基极拉低。此时，所有的集电极电流都将流出晶体管基极，注入DRV控制器引脚(IDRV)。<上一页1234下一页> - 第一页：深入了解双极性晶体管模型
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晶体管损耗估算 估算晶体管损耗，需要估算图4中所示的各个时间段。t1时间段是最大占空比的时长，对于本设计示例而言大约是7.4us。
集电极反向恢复电荷(Qr)数量可用来估算开关损耗时间段t3。根据BJT产品说明书，参数Qr的计算结果为36nC。
我们通过评估5W设计，将时间估算准确性与实际时间进行了对比。 测量到的t1时间是6.5us，比估算结果低2.4%。存储时间是660ns（t2=ts），大约比估算值低11%。测得的集电极上升时间(t3=tR)是210ns，大约比估算值高5%。根据t1到t3的测量时间计算出的功耗PQA增大到了544mW，比估算功耗高4.6%。注意这些计算依据的是产品说明书的平均存储时间和反向恢复时间。实际时间将随制造、工艺和工作条件的不同而不同。为了安全起见，设计人员应为其总体BJT损耗估算值增加20%的裕度。<上一页1234 - 第一页：深入了解双极性晶体管模型
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