BJT 与 (MOS)FET 从微控制器切换负载
部分答案-可能会很长-以后可能会添加更多:
这种情况下的选择通常是双极或 MOSFET。一旦您接触到 JFET,您可能还希望考虑 SCR/TRIAC、IGBT,...。您可能希望将双极-达灵顿加入其中。
简短:类似于 -
高达 500 mA 和 30 V 负载电压的小型双极器件成本低,可以由 1V 的驱动电压驱动,需要大多数处理器提供的驱动电流,并且可以广泛使用。
在开关模式下运行时散热通常不需要或适中(适中的 PCB 铜通常就足够了),SOT23 或 TO92 尺寸的封装通常就足够了。当驱动线性负载并且耗散增加时,需要更低的 VI 产品和/或更好的散热和/或更大的封装。
10kHz 的频率可用于单个电阻器驱动,100kHz 的频率可用于稍微复杂的 RC 驱动,而低 MHz 则更加小心。更高的再次获得专家
在此范围内的易用性通常与 MOSFET 一样好或更好,而且成本更低。
对于大约 500 mA 到 10 安培、10 到 100+ 伏特的电流,MOSFET 通常更易于使用。对于 DC 或低频开关(例如 < 1 kHz),在典型的微控制器级别上的直接 DC 栅极驱动可以通过选定的部件实现。
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 左右)进行充电和放电,以使转换期间的开关损耗保持在可接受的水平。在 10 kHz - 100 kHz 范围内,通常 2 或 3 个软糖 BJT 的简单驱动器就足够了。(因此,如果您使用 MOSFET,则需要添加 2 或 3 个 BJTS)。可以使用专业驱动器 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,双极开始再次获胜。
存在专业双极器件,例如电视线路输出设备(那是什么?:-)),其运行电压约为 1 kV,Beta 约为 3(!!!)。作为基本功率 ~= Vdrive x Idrive 和 Vload >>> Vbase Ibas ~= Iload 并不重要。IGBT 是一种与野兔一起奔跑并与猎犬一起狩猎的尝试(通常是成功的)——它使用 MOSFET 输入级来获得低驱动功率和双极输出级以在高频性能下获得高电压。
达林顿晶体管(两个双极“串联”)(正确地,可能是“达林顿对”)具有非常高的 Beta(1000+ 常见),其代价是 Vdrive = 2 x Vbe(相对于单个 BJT 的 1 x Vbe)并且输出晶体管的 Vsat > Vbe 并且如果硬驱动到饱和,则明显不愿意关闭。限制基本驱动以停止饱和减慢进一步增加 Vast_minimum。
我最喜欢的老式但有用的开关稳压器 MC34063 包括一个功能惊人的输出驱动器,它是一对达林顿。它可能很有用,但必须在其巨大的 [tm] ~ 100 kHz 全速下避免饱和,因此当输出饱和的 Volt + 显着降低负载驱动电压时,效率会在低 Vsupply 下受到影响。
一个小的达林顿晶体管可以从 1.5V(更好)驱动,通常 <= 每安培负载 1 mA。如果输出饱和度是可以接受的,它们会非常有用。
有用且流行的 ULN200x 和 ULN280x 六进制和八进制驱动器 IC 使用集电极开路达林顿,每通道额定电流为 500 mA(理想情况下不是一次全部)。有一系列输入电压版本,有些甚至无需电阻器即可直接驱动处理器。ULM2003 和 ULN2803 是最著名的,但不一定是处理器驱动应用中最有用的。
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、所需的简单性、散热、效率、制造量和商业/爱好者、成本……。
在低功率水平和适中的电压下——比如 10 伏特和 500 毫安以下(可能高达几安培),小型双极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(500 mA)可用于性能更好的部件,500+ 可用于专业部件。例如 BC337-400(我最喜欢的 TO92 BJT tipple)的 Beta 为 250-600,其 sqrt(250 x 600) ~~= 400 因此零件名称。250 的“保证”Beta(请查看数据表)允许每 mA 驱动器的 Iload 为 250 mA。使用 2 mA 驱动器 - 大多数但不是所有处理器都可用 - 您可以获得 500 mA 负载电流,尽管更多驱动器不会误入歧途。这可以通过 1V 或更高的驱动电压来实现,因此在 3V3 甚至 2V 上运行的处理器可能会处理得很好。具有足够低 Vgsth(栅极阈值电压)的 MOSFET 可以在这些驱动电压下运行,但在低于几伏驱动电压时它们变得更稀有和更专业。所需的最小驱动电压通常比 Vgsth 高几伏或几伏(请参阅每种情况下的数据表)。
双极具有取决于负载电流、驱动电流和特定设备类型的状态电压降 (Vsat)。额定电流下十分之几伏特的 Vsat 非常好,500 mV 可能是典型值,甚至更高,这绝不是未知数。MOSFET 具有导通电阻 Rdson 而不是 Vsat。Rdson 取决于驱动电压、负载电流和器件(至少)。Rdson 随温度增加,可能会超过环境温度值的两倍。采取应有的注意 - 数据表通常作弊并给 Rdson 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模具冷却。很调皮。在“愤怒”使用时,根据经验,将公布的值翻倍,尽管有些部件管理说仅比环境温度增加 20% 至最高温度 - 请参阅每种情况下的数据表。
在 500 mA 时具有 100 mV Vsat 的双极电阻具有 R = V/I = 0.1/0.5 = 200 毫欧的等效电阻。Tji 的数字很容易通过 MOSFETS 得到改善,通常 Rdson 为 50 毫欧,低于 5 毫欧是合理可用的,低于 1 毫欧可用于有特殊需求和更大钱包的人。
补充:当您需要从 Andy Aka 的回答中扩展 2 点时,这是一个冗长且有用的方法。
@Andy aka 在他的回答中提出了我上面的回答中缺少的两个非常好的观点。我更专注于开关和负载驱动方面。
安迪指出(不完全是这些话):
(1) 与 BJT 相比,MOSFET“源极跟随器”上的输入和输出之间的电压定义较少,而且对器件的依赖性更大。当用作射极跟随器时,“参考”电压施加到基极,输出电压取自发射极,BJT 在典型操作中从基极到集电极下降“约”0.6V dc。在极端设计(非常低的电流或非常高的电流)中,可以预期低至约 0.4V 和高至 0.8V 的电压。一个 MOSFET 源极跟随器在栅极和源极输出上将至少下降 Vgsth 从栅极到源极 + 需要额外的栅极电压来支持汲取的电流 - 通常多 0.1 到 1 伏,但在高负载或高负载时可能为 2V+低规格设备示例。Vgsth 取决于设备,从大约 0 开始变化。5V 到 6V+,通常是 2 到 6V。因此,源极跟随器压降可能在 0.5V(罕见)到 7V+(罕见)之间。
(2) 晶体管是一个 1 象限器件(例如 NPN = 栅极 +ve,集电极 +ve,两个发射极都用于打开但“未定义”负 Y 轴轨迹(基极零,集电极负,对于取决于器件的电压,但通常会出现“一些伏特”。当 MOSFET 关闭时,反向偏置 MOSFET 在漏极源极端子之间呈现一个正向二极管衬底二极管,当 MOSFET 关闭但正向偏置时,它与一个小电容器非常接近。所以, 随着电压的增加,超过约 0.8V 峰峰值的交流信号在反向偏置半周期上被越来越多地削波。这种影响可以通过串联两个相同类型的 MOSFET 来克服。栅极连接为 Vin,源极连接作为浮动中点,漏极为 vin 和 vout 任一极性。这种安排实现了真正令人敬畏和有用的开关,并且还导致那些没有意识到 MOSFET 在象限 1 和 3 中打开的人有些头疼(对于 N 通道 FET 象限 1 = DS+、SG+。象限 3 = DS - SG+)。
在低压逻辑电路的射极跟随器应用中,BJT 可能会在发射极处提供货物,而等效 FET 电路的栅极-源极电压变化会明显更大,这将导致结果不一致。
我想一个例子是向 BJT 施加电压以设置发射极电阻两端的电压,以便集电极负载中的电流是“恒定的”。我试图想出一个体面的实际例子,但什么都没有想到 - 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配置的东西都更适合 BJT,特别是如果逻辑电源非常低,即 3V3 或更低。
也许还有,如果需要使用钳位晶体管将交流信号(例如来自麦克风放大器的信号)静音,双极可能会“承受”来自集电极上交流电的几伏反向偏置(当不静音时),而 FET可能会在半个周期内将未静音的信号剪掉一点。
不过,JFET 在此应用中会更好。
我发现这篇文章解释了 BJT 和 MOSFET 与微控制器一起使用的优缺点。