BJT与MOSFET速度对比

    问题：做开关电源，总遇到开关速度的问题。查到的资料讲，频率高于150K时，就应该用MOSFET，MOSFET的速度快，损耗小。但记得老师也讲过，BJT的速度要比MOSFET快。那到底是哪个快呢，哪理解错了呢？

    以下是个人理解，望各位补充：

    开关电源中，BJT是用在饱和区的，以减小导通损耗。在开、关时，不可避免地要面对少数载流子贮存问题。关断时，过量的少子要复合(或者从基区抽取出)，要占很多时间，造成很大的开关损耗。尤其是频率较高时，更是如此。MOSFET一般工作在三极管区，开关时的速度限制来自寄生电容的充放电时间。可以调整驱动电流大小来调整开关速度。

    学校学到的，不是针对开关管的。作为放大信号应用，BJT是工作在放大区的。那么，它寄生的电容小，截止频率就高，可以放大的信号带宽就大，所以通常说BJT的速度快。MOSFET寄生电容大，截止频率低，所以说“速度慢”。

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什么影响了SMPS的开关频率

什么影响了SMPS的开关频率

开关电源中，当电感L、输出电容C_OUT、负载一定，且工作在稳态时，如果开关频率越小，则在每个充电阶段（或者是放电阶段），电感中的电流变化量越大（假定电流为连续状态），也就是电感中的纹波电流越大，则由于输出电容的ESR所引入的输出纹波电压越大。所以，为了得到稳定的、尽可能小的纹波的输出电压，我们一方面要选用有小的ESR的输出电容，另一方面就是提高开关频率。

如果要得到一个直流输出电压，而这个输出电压的纹波电压要求一定，比如是5V±1%，那么，如果提高了开关电源的频率，就可以选用小一些的电感和输出电容，仍可达到相同的精度。从而可大大减小系统的体积，满足便携式产品的小型化要求。

　 所以，SMPS　IC中，开关频率是一个很重要的参数。而现在的SMPS　ICs中，开关频率并不是很高。那么开关频率还受什么影响呢？开关时间和开关管损耗，磁性元件的损耗等。

开关损耗

选择开关管，不论MOS管，还是BJT，都是存在开关损耗的。为了减小导通时开关管上的损耗，希望他们在导通时  CE(或DS)压降越小越好，所以BJT在导通时是工作在饱和状态，MOS工作在三极管区。管子面积越大，则导通压降就越小，但同时，BJT需要更大的驱动电流，MOS也引入了更大的栅极电容从而降低了开关速度。

同时，BJT在打开时，要向基极提供足够的少数载流子，建立足够的基极电位，才能够使管子饱和。在关断时，基极中多余的少数载流子也不能立刻消失，需要专门的电路让其快速的撤出基极或者复合掉。这些限制了BJT开关管的开关速度。MOS管的导通和关断也需要对栅电容充电或者放电，这限制了MOS管的开关速度。为了减小导通时的R_{ds(0n)  ，} 需要增加管子的面积，也就增加了栅电容，降低了开关速度。

MOS和BJT的不同在于，导通时，BJT要一直对基极提供电流，这就增加了电路驱动部分的功耗。输出电流越大，这个功耗也就越高。

MOS和BJT在打开或者关断时的电压、电流波形相似，如一个BUCK的SMPS中：

下面这图只用来说明功耗最大点的出现位置：(这幅图来源于<模拟版图艺术>一书，本用来说明二次击穿的，这里借用，来说明功耗最大点出现位置)

同时，开关时的损耗还应该包括对基极过量少子的处理，在关断时是通过加速电路把其抽出，以及复合掉；MOS管在关断时栅电容上电荷的放掉。可见，开关频率增加，开关损耗也增加。

至于孰优孰劣，何去何从，在这里不敢乱言，大家多交流。

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写博客的一点感想

　　EDNCHINA是我发现最早，也是最常光顾的电子网站。
　　早就想能在这里做点什么，但深知自己“胸无半点墨”，所以迟迟地不肯动手。恰好前些日子，遇见了一篇很好且很基础的英文资料，准备。。。满以为自己可以把它翻译过来，可是，翻译过程中疑问重重，错误百出。
　　也就是这样一篇看似简单的资料，却在不断深纠中，发现了很多知识，现在还有一些没有搞明白！平时看书，看资料的时候，总是尽力地去快，也就有了错误的感觉：“许多东西是一样的”！而那些不一样的细节，却被我忽略了。
　　尽管翻译的很差，但还是贴出来了，想得到一些意见和建议。我希望在与大家的交流中，强迫自己去尽力理清自己的思路，去发现更多的问题！

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开关电源简介（翻译二）

上接开关电源简介（一）

SMPS的拓扑和转换理论：

　　正如在前面所提到的，依据电路拓扑的不同，SMPS可以把一个直流输入电压转换成不同的直流输出电压。现在工程应用中有多种SMPS的拓扑，其中最基本也是最常见的有三种。根据功能，可以把这些拓扑（见图二）分类为：降压型，升压型，反号型。图二中所示的电感的充电/放电路径将在后面的部分讨论。

　　图二　三种基本的拓扑结构

　　三种基本的拓扑结构都包括一个MOSFET开关，一个二极管，一个输出电容和一个电感。MOSFET，作为这个电路中有源受控元件，充当着控制器（未标出）的输出接口。这里的控制器运用一个PWM方波信号来控制MOSFET的栅，因此来控制器件的开或关。为了来维持一个稳定的输出电压。控制器要检测SMPS的输出电压，调整方波信号的占空比D，决定MOSFET在每个开关周期中的导通时间，进而来直接影响到在SMPS输出端所得到的电压。这个关系将在等式4和等式5中得到体现。

　　这个MOSFET的开关把SMPS电路分成充电和放电两个阶段，来描述电感中能量的传递（参见图2中路径）。在充电阶段，电感储存能量，并且在放电阶段把这些储存的能量传递给负载和电容。在电感充电阶段，电容对负载供电并且维持输出电压的恒定。对应着不同拓扑，这个循环的能量传递都可使电路中的输出电压保持在适当值

　　在每个开关周期中，电感是实现把能量从电源传到负载的关键元件。如果没有电感，SMPS在MOSFET开关切换的时候，将无法工作。储存在电感中的能量E依赖于通过它的电流I：

    因此，在一个具体的时间周期内，如施加在电感上的电压一定，电感中能量的改变是通过电感电流的改变来计量的。

　　如图三，在开关的导通阶段，因为作用在电感两端的电压恒定，因此，ΔI_L是一个线性的斜坡。在开关管打开阶段，注意到极性和输入输出关系，可以通过运用Kirhoff电压定律来计算电感上的电压。如，在升压转换中，放电阶段，电感电压为－（V_OUT－V_IN）。因为V_OUT大于V_IN，所以，电感上的电压是负的。

　　在充电阶段，MOSFET是导通的，二极管反偏，能量从电源传到电感（图2）。因为V_L是正的，电感电流上升。输出端的电容也要把在前一周期贮存起来的能量传给负载，来保持输出电压的恒定。

　　在放电阶段，MOSFET关掉，二极管正偏并导通。因为电源不再对电感充电，电感两端的极性改变，释放能量到负载并补充给输出端电容（图2）。电感通过前面给定的传输关系传出能量，电感电流以一定斜率下降。

　　图三　稳态下，电感上的电压电流特性

　　重复这样的充放电过程，并维持稳定的开关状态。在电路建立一个稳定状态的过程，电感电流建立到一个最终值，这个最终值是一个直流和斜波交流（电感上的纹波电流）叠加而成（如图三）。后者是在电路的两个阶段中切换时产生的。这个直流电流与输出电流有关，并且依赖于电感在SMPS电路拓扑中的位置。

　　SMPS中，为了输出一个真正的直流电流，纹波电流必须被过滤掉。这个过滤的方法就是通过输出电容对高频交流电流有较小的阻抗作用来实现。这些不期望的输出纹波电流通过输出电容旁路，并且当电流对地放电时保持电容电荷恒定，也能稳定这个输出电压。但是，在非理想的应用中，输出电容的等效的串联电阻ESR　引起输出电压纹波与流过它的纹波电流成比例。

　　总结一下：能量传递于电源、电感和输出电容间，来维持一个稳定的输出电压并且供给负载。但，SMPS的能量传输是如何决定了输出电压及转换比例呢？当应用周期波形来理解稳态时的状态，这个比例是容易计算的。

　　对于一个稳态，一个以周期Ts重复的变量必须在每个周期的开始和结束时相等。如在前面所描述的充电和放电过程，电感电流是周期变化的，也就是一个周期开始时的电感电流要等于一个周期结束时的电感电流。这意味着，电感电流在充电阶段的改变量要等于电感电流在放电阶段的改变量。使电感电流在充电和放电阶段变化相等，并要把volt-second rule,会得到一个有意思的结果:

　　简单讲(Simply put)，电感上的voltage-time　的积在不同阶段是相等的。这意味着，通过观察图2的电路，稍稍留意就会发现理想的稳态电压/电流转换比例。对降压电路，在充电阶段运用基尔霍夫电压环路定律，可以得出电感电压是输入和输出间的电压差。同样，在放电阶段，电感电压是－V_OUT　,对等式3，应用Volt-second法则，可以确定下面的电压轮换比例：

　　Further同时，在理想电路中，输入功率等于输出功率，因此可得到电流转换效率：

　　从上述结果来看，降压的转换中，输入电压是输出电压的D倍，则输出电流是输入电流的D倍。表1列出了图2中所画拓扑的转换比例。通常，通过解决等式3和等式5的方法，所有的SMPS转换比例能被找出，只是复杂的拓扑可能分析起来更困难一些

Table 1. 开关转换比例

缺点和折衷

　　当然，SMPS所得到的高效是有代价的。最最经常的问题就是开关模式转换中电磁干扰的引入和传导噪声。电磁辐射是存在于开关电路中的开关电流和开关电压的快速转变引起的。在电感节点处快速地改变电压引起辐射电场，而在充电/放电环路中，快速的开关电流产生磁场辐射。但是，当SMPS的输入/输出电容和PCB寄生对开关电流存在很大的阻抗，那么在输入和输出电路中，传导噪声会被增强。好在讲究的元件布局和好的PCB版图设计能大大降低EMI和减小噪声。

　　SMPS也可相当复杂，并要求额外的外部元件，进而增加了功率电源的总成本。好在大多数SMPS　IC生产商提供了详细的关于器件操作和选择外部元件的文档。此外，现代SMPS　IC高的集成度可以减小所要求的外部元件数量。

　　尽管存在这些问题，SMPSs还是被广泛应用着。它的缺点可以被控制，但使用开关电源所获得的效率和多样性却正是人们想要的，甚至经常是必须的。

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开关电源简介（翻译一）

原文：MAXIM公司的4087 Application note

因为上传的PDF总是不能正常显示，所以给出原文地址：http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/4087

概要：

    用开关电源来实现DC－DC能量转换，是目前流行的选择，有时候甚至是必要的选择。为实现DC能量转换，与其它可供选择的方法相比，SPMS具有明显的优点和折衷。本文对开关电源的优点和折衷做了一个简单的总结，并且简单回顾了他们的操作和理论。

　　考虑到种类繁多的电子设备对直流电压的需求也是多样的，因此，设计者需要把标准的电源电压转换成负载所需要的电压。电压转换必须是一个通用高效并且可靠的过程。当前，SPMS被频繁用来提供多种为产品所需要的直流输出电平，并且它在完成高效可靠的DC－DC能量转换系统中是不可缺少的。

为什么使用SMPS？

　　现在多数直流电子负载均由标准电源供电，但标准电源电压未必能够满足微处理器，电机、LED，以及其它的负载所需电压，尤其是这个电源电压是不稳定的。由电池供电的设备就是反应这个问题最好的例子：在日常使用中，标准LI离子或者NIMH电池的电压要么太高，要么太低，或者是在使用放电中，电压下降过多。

多样性

　　庆幸的是，SMPS的多样性解决了把一个标准的电源电压转换成可应用的具体的输出电压。SMPS有多种拓扑结构，基本上可以归纳为升压、降压，反号结构。（注：输出电压与输入电压极性相反）开关电源与线性稳压器不同的是，线性稳压器只能实现降压。而与之相比，SMPS的魅力在于，通过选择具体的某个拓扑，可以实现基本上所有范围的输出电压。

定制（customization)

  　此外，现在的SMPS　IC具有不同的集成度，允许工程师选择不同的或多或少带有SMPS特点的拓扑，并把它用在IC中。这样，就减轻了厂商对通用电源、专用电源的设计负担，并且可以为定制产品提供基本的SMPS　IC，因此增强了那些广泛应用的器件的多样性。

效率：

　　工程师要面对的其它普遍存在的问题还有如何提高电源的转换效率。例如，经常要把输入电压降压以得到一个更低的输出电压。一个简单的解决办法就是应用一个线性稳压器，这种器件需要少的外加电容，具有足够的热管理能力。但这种简化的代价，是低的系统效率。如果电压降很大的话，这种低效会达到让人难以接受的地步。

线性稳压器的效率与输出管的功耗直接相关。这种功率降有时可能很大，因为
它等于　I_LDO*（V_IN－V_OUT）　。如果从一个3.6V电源到一个1.8V的输出　，有100mA电流流过，那么0.18W将被消耗在线性稳压器上，完成了50%的效率，电池的使用时间也就减少了50%。（假设为理想应用）

　　考虑到效率损耗，负责的工程师会去寻找一种更好的解决办法，这也是SMPS杰出的地方。一个设计很好的SMPS，可以实现90%甚至更高的效率，具体依赖于负载和输出电压。在前面的例子中，用SMPS代替线性稳压器，可以获得90%的效率。可见，降压型SMPS的优势是明显的。在其它拓扑的应用中，可以获得相当甚至更高的效率。

　　效率是SMPS的主要优点，其它长处也会伴随着功耗的减小而出现。与低效率相比，被观察到的热点会减少。这一优点等于降低了对热管理能力的要求。同时，由于他们不会像在低效的系统中那样产生很多的热，器件就会更加可靠，也就提高了器件寿命。

未完待续

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电机在全桥驱动方式下的工作过程

　　电机的驱动方式，有全桥和半桥之分。

　　全桥驱动输出级电路结构如图：

　　电机工作在恒流斩波状态下，某一输出端的工作过程：

　　首先，电感中的电流方向是可以从左向右，也可以从右向左，由驱动电路的控制信号决定。以从左向右为例：

　　电流从电源经过Q1、L1、Q4，检流电阻到地，构成回路。当电路开始接通，L1中的电流增加，当增加到设定值时，检流电阻上的电压反馈给控制电路（图中未标出），控制SOURCE管关断，也就是Q1关断。由于电感的作用，电流从地、L1、Q4续流，这是一个慢衰减的过程（Slow decay).通过一定的RC定时，或者其他的定时，即设置一个时间，在这个时间里，输出管Q1不会导通，L1中的电流一直衰减。直到定时时间到，再检查RS上的电压，如果这时RS上的电压已经小于设定值，Source 管打开，L1中的电流再次增加。当增加到设定值时，再进行慢衰减。

　　在电感中电流改变之前，一直持续这样的过程。通过合理地设置RC定时的时间，也就是衰减的时间，将会使输出电流基本上在一个设定值附近。所以叫斩波恒流驱动。

　　当电机要求改变电流方向时，要设置一定的死区时间。要求在Q1、Q4关断之前，Q2、Q4不能打开，严格防止同一侧的上下管同时导通，出现直通短路问题。

　　由于四个管全部关断，电流经D3、L1、D2续流。由于电感两侧电压差较大，所以能量衰减很快，叫做快衰减模式（Fast Decay).

　　之后

　　电流从Q3、L1、Q2、RS到GND。重复Slow Decay,实现斩波恒流。只是电流流向与先前不同。

　　然后换向，Fast Decay的通路为D4、L1、D1。

　　重复这样的过程。

　　以上只是说明一些工作过程。具体的设置由具体的控制电路实现。

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