在USB 适配器、手机充电器以及体系偏置电源等很多低功耗运用中，低本钱准谐振/非接连方式反激式转化器是常见挑选(图1)。这类转化器规划功率高，本钱极低。因而为什么不考虑在自己的规划中运用双极性节点晶体管(BJT)呢?
这样做有两个十分有说服力的理由：一个是BJT的本钱远远低于 FET;另一个是BJT的电压等级比 FET 高得多。这有助于规划人员下降钳位电路和/或缓冲器电路的电气应力与功耗。运用BJT的仅有问题是许多工程师现已习惯于 FET，或是在他们的电源转化器中历来不将BJT用作主开关(QA)。本文将讨论怎么预算/核算在非接连/准谐振方式反激式转化器中运用的NPN BJT的损耗。
图1:离线高电压 BJT 适配器反激电路
在深入讨论核算 BJT 损耗的办法之前，需求对双极性晶体管模型做一个根本了解。一个双极性晶体管的最简略方式是一个电流操控型电流汲/开关。基极(B)输入可操控从集电极 (C)流向发射极(E)的电流。图2是NPN BJT的概念和原理图。该器材掺杂有两个被P(正电荷原子)掺质区离隔的N(负电荷原子)半导体区。基极与P资料相连，而发射极和集电极则别离衔接至晶体管的两个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相似。在基极发射极结点施加正电压，会招引 N 资料(与发射极(E)衔接)的自由电子。这些自由电子迁移到 P 资猜中后，会构成 N 资料的自由电子匮乏。N 资猜中的自由电子匮乏会从偏置电源(与基极和发射极相连)的负端招引电子，构成完好电路答应电流经过。B 节点和 E 结点的负偏置会导致剩余电子从 P 资猜中招引出来。这会断开电路，阻挠电流活动，就像对二极管进行反向偏置相同。
在基极发射极结点处于正向偏置，而集电极至发射极途径为偏置时，这可翻开激流栅极，答应电流活动。衔接至集电极的正偏置会招引自由电子流向集电极端，在N 资猜中构成电子匮乏。这可招引来自基极的电子，将其耗尽在N资猜中。现在电流就可流经集电极和发射极的耗尽层，构成完好电路。集电极电流(IC)的数量或许会比基极电流(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。在产品阐明书中也可表达为Beta(β)或hFE。留意，在晶体管产品阐明书中，该比值在特定条件下给出，或许会有显着的改变。
(等式 1)
在饱满状态下作业
当集电极基极电流比被逼低于产品阐明书规则的 hFE 值时，晶体管就可界说为饱满作业。在BJT处于饱满状态下时，添加基极电流就不会生成更多的集电极电流。集电极发射极之间的电压也骤跌到了最低水平。这在产品阐明书中被称为集电极发射极饱满电压(VCE(SAT))。该电压一般为0.5V 至2V，具体取决于 BJT.在适配器和偏置电源运用中，在BJT用作主开关以坚持最低传导损耗时，该器材就可驱动在饱满状态下。
反激规划中的饱满 BJT
(等式 2)
场效应晶体管(FET)是中心功耗规模(30W 到 1KW)的抢手挑选，因为 FET 的传导损耗遍及小于BJT 的传导损耗。但在偏置电源与适配器等15W 至30W 的低功耗运用中，开关电流较小。因而，BJT 可用于发挥较低本钱及较高电压额定值的优势。但这类器材并不完美，在规划过程中需求应对一些缺乏。
在运用FET 时，栅极只需在栅极%&&&&&%充放电时才传导电流。在基极发射极结点处于正向偏置时，BJT 一向都在传导。此外，在关断饱满BJT 时，因为存储电荷原因，有适当一部分集电极电流会从晶体管基极流出。这与FET 不同，FET 的栅极驱动器历来不会呈现 FET 的漏极电流。这将为反激式操控器的基极驱动器带来更多应力。在为此类规划挑选反激式操控器时，应保证其可操控和驱动适配器运用中的BJT。UCC28722 反激式操控器经过专门规划，可操控将BJT 用作主开关的准谐振/非接连反激式转化器。该反激式操控器的驱动器电路详见图3。
图 3:操控器基极驱动器内部电路
要核算此类低功耗反激式运用中BJT 的功耗状况，需求根本了解BJT 的波形(图 4)。留意，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)可被切断5W USB适配器。基极电流(IB)和输出二极管电流(IDC)仅仅画出来体现对应的电流，或许不是实践量级。
图 4:准谐振反激式转化器中 BJT 的开关波形
在 t1 时刻段的起点，集电极电流为0。基极运用19mA 的最小驱动电流(IDRV(MIN))驱动，该电流可逐步递增至37 mA的最大驱动电流(IDRV(MAX))。因为集电极电流是从0开端的，因而在开关周期的起点为基极供给最大驱动电流既没必要，也无功率。开关坚持导通，直至到达最大驱动电流中止，该最大驱动电流可经过操控器操控律确认。初级电流经过电流传感电阻器(RCS)感应。在t1时刻段内，变压器(T1 通电，BJT驱动到饱满状态。一旦在t1结尾到达所需电流时，就可经过 FET 将 BJT 的基极拉低。此刻，一切的集电极电流都将流出晶体管基极，注入DRV操控器引脚(IDRV)。
反向恢复与基极电流的耗尽
在t2时刻段，基极集电极结点进入反向恢复，晶体管坚持导通，直至基极电流耗费到大约集电极电流的一半。留意，该时刻段集电极电流与发射极电流之差即为流经晶体管基极的电流。晶体管坚持导通，集电极电流的量级大致坚持不变。该时刻段也称为BJT存储时刻(tS)，可在器材的产品阐明书上查到。
存储时刻完毕、t3开端时，晶体管开端关断。在这个时刻段内，晶体管PN两个结点都进入了反向恢复。在晶体管关断，集电极电流将耗尽时，基极和发射极同享集电极电流。集电极电压逐步升高，直至器材彻底关断。当BJT 彻底关断时，集电极电压到达最大值。该电压是输入电压、变压器反射输出电压以及变压器漏电感构成的峰值电压之和。
在 t4 时刻段内，能量不只供给给二次绕组，并且二极管DG开端传导，然后可为输出供给能量。当变压器的能量耗尽时，集电极电压开端围向接地。该电压可经过辅佐绕组的匝数比 (NA/NP)传感。当操控器观察到变压器失电，就可添加t5推迟来完成谷值开关。留意，图4 中的波形仅仅一个截图，此刻转化器作业在近临界传导状态下，正在进行谷值开关。操控器不只可调理初级电流的频率和起伏，并且还可驱动转化器进入非接连方式，然后可操控占空比。这些转化器的最大占空比发生在转化器作业在规划设定的近临界传导状态下时。
预算 BJT 中传导及开关损耗的核算办法与二极管相似。基极、发射极和集电极饱满电压可按电池进行建模，与二极管正向电压相似。均匀电流可用来预算均匀传导损耗。在本运用中，核算中触及的一切电流均为三角形或梯形。均匀核算不只运用根本几许原理，并且还有清楚的记载。首要不同在于 BJT 具有电荷存储推迟(tS)。BJT 晶体管的基极需求在器材开端关断之前，移除必定数量的存储电荷 (QS)。这就需求知道怎么核算PN 结点的反向恢复电荷(QR)。反向恢复电荷是指让半导体器材中止传导所需的反向电荷数量。
为了核算BJT 开关(QA) 的损耗，咱们来看看运用 NPN 晶体管(作业在 115V RMS 输入下)的 5W USB 反激式转化器。具体标准见表1。峰值集电极电流(IC(PK)经过操控器约束为360mA，转化器最高频率(fMAX)按规划约束在70KHz。在 115VRMS 输入的满负载状况下，该转化器的均匀开关频率(fAVG)为56KHz。根据最低输入电压，转化器规划选用的最大占空比(DMAX)为52%。在该输入条件下，最高集电极电压(VC(MAX))为250V。
(等式 3)
晶体管损耗预算
预算晶体管损耗，需求预算图 4 中所示的各个时刻段。t1 时刻段是最大占空比的时长，关于本规划示例而言大约是7.4us。
(等式 4)
预算t2 时刻段，需求核算器材的存储电荷(QS)。
根据产品阐明书的tS参数以及基极放电电流(I，存储电荷为 200nC:
(等式 5)
在t1 时刻段，该晶体管被驱动为饱满状态。在t1时刻段，悉数集电极电流均流经晶体管基极。因为基极在t2内进入某种类型的反向恢复，因而集电极电流在晶体管的基极和发射极之间分流。根据这一信息以及电流在该时段内为梯形的特性，t2 存储时刻段的均匀基极电流(IB(AVGt2))可按以下等式核算：
(等式 6)
有了均匀基极电流和QS，t2 时刻段能够经过以下等式核算：
(等式 7)
(等式 8)
集电极反向恢复电荷(Qr)数量可用来预算开关损耗时刻段t3。根据BJT产品阐明书，参数Qr的核算成果为36nC。
(等式 9)
按三角形特性，t3 时刻段的均匀集电极电流(%&&&&&%(AVGt3))为180mA。该集电极电流和核算得到的Qr 可用来预算t3时刻段的时长，在本规划实例中大约为200ns。
(等式 10)
(等式 11)
根据t1 至t3 时刻段的时刻预算，就可运用等式12核算BJT在115V RMS 输入下的损耗(PQA)。在该等式中，榜首组项是BJT正向偏置时的基极至发射极传导损耗。第二组项是预算t1 和t2 时刻段中集电极电流所引起的BJT损耗。这包含流经基极的电流。基极到集电极的反向饱满电压按 VCE(SAT)预算。第三组项用于预算 BJT 的关断损耗。
(等式 12)
咱们经过评价5W 规划，将时刻预算准确性与实践时刻进行了比照。
丈量到的 t1 时刻是6.5us，比预算成果低2.4%。存储时刻是660ns(t2=ts)，大约比预算值低 11%.测得的集电极上升时刻(t3=tR)是210ns，大约比预算值高5%。根据t1 到t3 的丈量时刻核算出的功耗 PQA 增大到了544mW，比预算功耗高4.6%。留意这些核算根据的是产品阐明书的均匀存储时刻和反向恢复时刻。实践时刻将随制作、工艺和作业条件的不同而不同。为了安全起见，规划人员应为其整体BJT 损耗预算值添加20% 的裕度。
总结
当榜首次触摸运用1款BJT规划开关电源时，我很猎奇为什么规划人员会运用 BJT 而不是 FET。但是，双极性晶体管具有较低本钱和较高电压额定值，是这些低功耗运用的可行选项。正如本文所介绍的那样，只需根本了解双极性晶体管的作业状况和几许结构，就可预算晶体管的传导及开关损耗。
