Преимущества применения биполярных транзисторов Biss Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Преимущества применения

биполярных транзисторов BISS

Алексей ЕГОРОВ

avd@gamma.spb.ru

В статье рассмотрены силовые биполярные транзисторы BISS с уменьшенным напряжением насыщения и с меньшей мощностью рассеяния. Оценены преимущества и проанализированы особенности применения транзисторов BISS в различных схемах взамен традиционных биполярных транзисторов. Приведены типы, характеристики и система маркировки транзисторов BISS.

Верхний металлический слой (AI)

Транзисторы BISS (Breakthrough in Small Signal, дословно: «прорыв в малом сигнале») — это биполярные транзисторы с улучшенными малосигнальными параметрами. Существенное улучшение параметров транзисторов BISS достигнуто за счет изменения конструкции зоны эмиттера, изображенной на рис. 1.

Здесь показано, что, по сравнению с традиционными биполярными транзисторами (ТБТ), в транзисторах BISS зона эмИТГера мак- РИс. 1. Зона эмиттера транзистора BISS в разрезе симально увеличена и максимально (даже двухслойно) металлизирована. Благодаря этому, ток эмиттера распределен более равномерно по всей зоне и уменьшено омическое сопротивление. В результате, в транзисторах BISS обеспечено значительное уменьшение напряжения VCEsat насыщения коллектор-эмиттер.

На рис. 2 приведена зависимость напряжения VCEaat от тока IC коллектора для трех поколений транзисторов BISS фирмы Nxp semiconductors.

По кривым на рис. 2 легко определить, что, например, при токе 1000 мА напряжение насыщения транзистора BISS типа PBSS302ND почти в 8 раз меньше аналогичного напряжения транзистора ТБТ ВС817-40. Вследствие этого в транзисторах BISS существенно уменьшается мощность рассеяния и, соответственно, температура кристалла, то есть появляется возможность либо уменьшить габариты (корпус), либо при тех же габаритах увеличить мощность, передаваемую транзистором в нагрузку, либо увеличить максимально допустимую температуру транзистора.

Кроме того, благодаря особому выполнению зоны эмиттера, у транзисторов BISS не только понижается температура, но и существенно уменьшается градиент ее распределения по корпусу. Это обстоятельство наглядно продемонстрировано на рис. 3, где приведены результаты измерений теплового состояния тех же сравниваемых транзисторов.

Отсюда следует, что в транзисторах BISS устранены зоны локального перегрева, то есть существенно улучшен тепловой режим, в результате чего значительно повышена надежность.

10 100 1000

Ток коллектора 1с, мА

Рис. 2. Зависимость Vce^ = f(IC у транзисторов ТБТ и BISS

Рис. 3. Распределение тепла на поверхности корпуса транзисторов ТБТ и BISS

Слой изоляции (SijNf)

Базовый металлический слой (AI) Активная зона (кремний)'

Транзисторы BISS применяются в диапазоне коллекторных токов до 10 А при напряжении коллектор-эмиттер до 100 В и отличаются от транзисторов ТБТ более низким напряжением насыщения, значительно меньшими габаритами, расширенным температурным диапазоном и более высокой степенью надежности.

Обобщим преимущества применения транзисторов BISS по сравнению с транзисторами ТБТ:

• уменьшение напряжения насыщения — в 8 раз;

• уменьшение мощности рассеяния;

• увеличение допустимой нагрузки по току коллектора;

• увеличение коэффициента передачи по току;

• увеличение надежности;

• повышение допустимой температуры окружающей среды;

• снижение энергопотребления, отсюда — увеличение времени функционирования автономных устройств на аккумуляторных батареях;

• снижение затрат на изготовление и эксплуатацию устройств;

• уменьшение площади печатных плат и габаритов устройств.

Рассмотрим преимущества использования транзисторов BISS взамен ТБТ в наиболее распространенных схемах.

Инвертор и эмиттерный повторитель

На рис. 4 изображены основные каскады транзисторов: инверторы и эмиттерный повторитель.

В зависимости от уровня входного напряжения транзистор в схеме инвертора (рис. 4а или рис. 4б) может находиться в режиме усиления или в режиме насыщения. В режиме усиления транзисторы BISS отличаются большим, чем в ТБТ, коэффициентом усиления по току, поэтому режим насыщения в транзисторах BISS наступает при меньшем базовом токе, а напряжение насыщения коллектор-эмиттер имеет меньшее, чем в ТБТ, значение. Инверторы, построенные на транзисторах BISS, обладают всеми перечисленными выше преимуществами.

В схеме с эмиттерным повторителем (рис. 4в) выходное (то есть эмиттерное) напряжение примерно равно напряжению

на базе. Поскольку коэффициент усиления по напряжению схемы примерно равен 1, то характеристики эмиттерного повторителя могут быть улучшены только за счет высокого коэффициента усиления по току и высокого значения выходного тока коллектора транзистора BISS.

Управление электропитанием

Конвертор постоянного тока

Конверторы постоянного тока предназначены для преобразования значений постоянного напряжения на входе и выходе (DC/DC-конверторы). Они широко используются для обеспечения питанием электронных устройств различной мощности: от милливатт (мобильные телефоны и PDA) до многих киловатт.

На рис. 5 показаны три типичные схемы конверторов: повышающий или понижающий напряжение (рис. 5а), понижающий напряжение (рис. 5б) и повышающий напряжение (рис. 5в). Преобразование напряжения основано на том, что по командам от контроллера изменяется интервал времени, в течение которого основной (проходной) транзистор находится в состоянии «открыт/закрыт», в результате чего изменяется среднее значение напряжения на выходе конвертора. Эффективность конверторов постоянного тока зависит от статических и динамических параметров проходного транзистора, функционирующего в режиме переключения. По своим характеристикам транзисторы BISS наилучшим образом подходят для применения в качестве проходных транзисторов конверторов, в которых они обеспечивают увеличение КПД преобразования, уменьшение мощности рассеяния тепла, увеличение срока службы и, в конечном счете, защиту окружающей среды.

Кроме рассмотренных схем конверторов, транзисторы BISS применяются в низковольтных конверторах обратного хода и в двухтактных конверторах.

Комплементарный драйвер

Комплементарный драйвер (табл. 1, рис. 6) представляет собой эмиттерный повторитель, построенный на комплементарной (взаимодополняющей) паре транзисторов разного типа проводимости. Этот драйвер используется в различных устройствах, в том числе в конверторах постоянного тока для управления КМОП-ключами. Главная задача такого драйвера: заряжать и разряжать емкость управляющего электрода с максимальным быстродей-

Таблица 1. Транзисторы BISS для комплементарных драйверов

Тип Корпус Характеристика

PBSS4140T/PBSS5140T SOT23 одиночный,1 A

PBSS4140DPN SOT457 (SC-74) сдвоенный,1 A

PBSS2515YPN SOT363 (SC-88) сдвоенный, 0,5 A

PBSS2515VPN SOT666 сдвоенный, 0,5 A

PBSS4140S/PBSS5140S SOT54 (TO-92) одиночный,1 A

PMBT2222A/PMBT2907A* SOT23 одиночный, 0,6 A

* — не BISS-транзисторы, только ссылка

Рис. б. Комплементарный драйвер

ствием (при допустимых токах), чтобы минимизировать потери на переключение. Кроме того, комплементарный драйвер снимает часть нагрузки со схемы управления. Высокий коэффициент усиления по постоянному току при максимальном токе коллектора и высокая нагрузочная (пиковая) способность коллектора — это важные критерии при выборе типа транзисторов. Именно в таком драйвере транзисторы BISS обладают существенными преимуществами перед другими.

Если кросс-проводимость является проблемой, то между эмиттером NPN-транзистора и затвором КМОП-транзистора устанавливается низкоомный резистор. Он не влияет на закрывание транзистора, но задерживает открывание.

Выключатель цепи питания

В автономных, а также в мобильных устройствах, питание которых осуществляется от аккумуляторной батареи (например, в ноутбуках), необходимы выключатели цепей питания секций, не участвующих в информационном процессе. В результате удается значительно увеличить ресурс батареи.

Для того чтобы уменьшить потери энергии при переключении, необходимо, чтобы падение напряжения на переключателе, то есть напряжение насыщения транзистора, было минимальным.

Рис. 4. Основные каскады транзисторов: а, б) инверторы; в) эмиттерный повторитель

Таблица 2. Транзисторы BISS для выключателя цепи питания

Тип Корпус Характеристика

PBSS3515VS SOT666 сдвоенный, 0,5 A

PBSS5140V SOT666 одиночный, 1 A

PBSS5140T SOT23 одиночный, 1 A

PEMH-серии SOT666 сдвоенный, RET*

PDTC-серии разные одиночный RET*

* Транзистор со встроенным резистором

IN 1

IN 2

JL\/ \ X/ ух

1 W /: X

— X

- П -

OUT1

ON/OFF 2^.

ON/OFF 1^

например, для транзистора РБ8Б5240Т при 1С = 1 А, 1ь = 3,45 мА.

Таким образом, как показано в таблице 3, эффективность регулятора с транзисторами БІБв возрастает с 80 до 95%.

Таблица 3. Эффективность регуляторов напряжения

Стандартный С низким напряжением

Vout, В 3,3

Iout, А 1,0

Pout, Вт 3,3

Vdrop, В 1,0 0,1

Pm, Вт 4,3 3,4

п, % 77 97

Рис. 7. Сдвоенный выключатель цепи питания

На рис. 7 показано экономичное и компактное решение этой задачи с использованием сдвоенного BISS-транзистора PBSS 3515VS и сдвоенного транзистора со встроенным резистором (RET) PEMHx. Оба транзистора размещены в ультракомпактном корпусе типа SOT666. По сравнению с транзисторами ТБТ, транзисторы BISS занимают значительно меньшую площадь печатной платы и имеют более высокую надежность и эффективность.

Интегральный регулятор напряжения

При использовании транзисторов BISS в линейном регуляторе напряжения (рис. В) с интегральными микросхемами (например, типа MAX687, LT1123 или ADM666A) удается увеличить допустимую нагрузку по выходному току, увеличить коэффициент усиления по току управления и значительно уменьшить падение напряжения между входом и выходом.

Обычно, при токе G,1 A падение напряжения на транзисторе составляет 55 мВ, а при токе 1 A — 14G мВ. Благодаря тому, что вертикальный транзистор обладает большим коэффициентом усиления по току, требуется меньший управляющий (базовый) ток. Так,

Рекомендуемые типы транзисторов указаны в таблице 4.

Таблица 4. Транзисторы В!8в для регулятора напряжения

Тип Корпус Характеристика

PBSS5540Z SOT223 (SC-73) одиночный,5 A, 2 Вт

PBSS5350Z SOT223 (SC-73) одиночный , 3 A, 2 Вт

PBSS5340D SOT457 (SC-74) одиночный , 3 A, 0,75 Вт

PBSS5350S SOT54 (TO-92) выводной, 3 A, 0,83 Вт

Регуляторы с низким падением напряжения более чувствительны к емкости нагрузки. Эта зависимость возникает из-за операции инвертирования, которую выполняет проходной транзистор РЫР.

Регулятор с низким падением напряжения можно построить по схеме рис. 9 с таким же улучшением параметров проходного транзистора, как указано ранее.

Рис. 10. Выходной каскад зарядного устройства

Таблица S. Транзисторы BISS для зарядного устройства

Тип Корпус Характеристика

PBSS5540Z SOT223 (SC-73) один., 5 A, 2 Вт

PBSS5350Z SOT223 (SC-73) один., 3 A, 2 Вт

PBSS5340D SOT457 (SC-74) один., 3 A, 0,75 Вт

PBSS5350S SOT54 (TO-92) выводной, 3 A, 0,83 Вт

Таблица б. Параметры транзисторов ТБТ и BISS для зарядного устройства

Транзисторы

ТБТ BISS

Тип транзистора(корпус) BD434 (TO-126) PBSS5350S (TO-92)

Макс. напряжение коллектор-эмиттер, В 22 50

Макс. ток !с, А 4 3

Мин. коэфф. усиления по току при !с = 2 А 50 100

Макс. напряжение насыщения при !с= 2 А, В 0,5 0,3

Зарядное устройство батареи

В современных зарядных устройствах батарей применяются прогрессивные технические решения: непрерывное измерение напряжения батареи, измерение тока зарядки, а также температуры. Эти решения можно выполнить с помощью контроллеров и интегральных схем. Для многих интегральных схем необходим внешний дискретный выходной каскад, обеспечивающий управление токами порядка 10 А. Транзисторы БК8 (табл. 5, 6), обладающие низким напряжением насыщения, высоким коэффициентом усиления и высокой нагрузочной способностью по току, наилучшим образом подходят для таких устройств.

На рис. 10 показано подключение транзистора БІвБ к микросхеме мониторинга состояния и быстрой зарядки NiCd и №Мп батарей ТЕА1104 фирмы NXP (www.nxp.com). Если в выходном каскаде использовать транзистор БІББ вместо рекомендованного в спецификации ТЕА1104 транзистора БЭ434, то можно существенно уменьшить габариты зарядного устройства.

Устройство питания экономичных люминесцентных ламп

Для питания люминесцентной лампы с холодным катодом (ССБЬ) необходим источник высокого напряжения. Альтернативой балластному драйверу иБА2070 фирмы NXP

Рис. 11. Резонансная двухтактная схема питания экономичной люминесцентной лампы

Таблица 7. Транзисторы Таблица 8. Характеристики транзисторов ТБТ и BISS для матрицы светодиодов

для экономичных люминесцентных ламп .---------------------------------------.---------------------------------.--

Транзисторы ТБТ BISS-транзисторы

Функции Драйвер столбца Драйвер строки Драйвер столбца Драйвер строки

BC817-40 (SOT23) BDP32 (SOT223) PBSS43S0T (SOT23) PBSS5540Z (SOT223)

Макс. напр. коллектор-эмиттер, В 45 45 50 40

Импульсный ток коллектора !с, А 0,5 5 0,5 5

Минимальный коэффициент усиления по току 40 20 (тип.) 300 50

Ток базы, необходимый для насыщения, мА <12,5 250 <1,7 <100

Максимальное напряжение насыщения, В 0,7 | + >1 0,09 | + 0,375

Результирующее падение напряжения, В 1 1,7 | 0,465

Тип Корпус Характеристика

PBSS4140U SOT323 один., 1 A

PBSS4140T SOT23 один., 1 A

PBSS4240T SOT23 один., 2 A

PBSS4140S SOT54 (TO-92) выводной,1A

является двухтактный конвертор, показанный на рис. 11. Схема содержит микросхему управления (например, UCC3973, LT1172, MAX1610), резонансный двухтактный каскад и высоковольтный каскад. Для повышения эффективности схемы в качестве транзисторов двухтактного каскада целесообразно применять транзисторы BISS (табл. 7).

Периферийный драйвер

Простой драйвер нагрузки

Для переключения больших токов в реле, лампах и двигателях используются транзисторы в схемах инвертора или эмиттерного повторителя (рис. 4). Благодаря высокой нагрузочной способности по току коллектора и высокому коэффициенту усиления по току, в таких устройствах целесообразно применять транзисторы BISS. Кроме того, в низковольтных схемах для обеспечения эффективной передачи энергии в нагрузку необходимо использовать транзисторы BISS, имеющие пониженное напряжение насыщения коллектор-эмиттер.

Так, например, при использовании транзистора BISS типа PBSS4350T в схеме с напряжением питания 3 В, напряжение на нагрузке составляет 2,9 В. При использовании в этой же схеме транзистора ТБТ типа BC817 напряжение составляет 2,3 В.

Известно, что входное сопротивление эмиттерного повторителя высоко, то есть является пренебрежимо малой нагрузкой для источника. Выходное сопротивление эмит-терного повторителя — низкое, что облегчает согласование с нагрузкой. Если нагрузка индуктивна, то для защиты транзистора от избыточного напряжения применяется шунтирующий диод.

Драйвер матрицы светодиодов

На рис. 12 показана выходная часть светодиодного дисплея, которая используется в больших графических дисплеях и в дисплеях типа «бегущая строка». Выходная часть может содержать сотни светодиодов, для которых требуется множество линий управления, если каждым светодиодом управлять по отдельности. Современное решение состоит в том, что светодиоды объединены в матрицу, при управлении которой удается значительно сократить число требуемых драйверов и проводов.

Каждый светодиод матрицы питается импульсным током. Для обеспечения того же среднего значения, которое было бы при пи-

1 Н=1 о Vcc

1 -а—( " Vet № і К

І І L

Управление столбцом І -ш— SJ І г ) г L □

Рис. 12. Транзисторы BISS в схеме управления матрицей светодиодов

тании постоянным током, значение тока в импульсе должно быть увеличено с учетом скважности: 1ри15е = 1соп(/цикл. Например, если постоянный ток в столбце из 25 светодиодов должен составлять 20 мА, то при рабочем цикле 4% ток в импульсе должен составлять 500 мА.

Для использования преимуществ матричной конфигурации требуются транзисторы с высокой нагрузочной способностью по току. Каждый транзистор драйвера столбца должен выдерживать импульсный ток, равный 500 мА, и каждый драйвер строки должен выдержи-

вать импульсный ток, равный nx5GG мА, где n — число рядов.

Кроме того, поскольку транзисторы управляются стандартной логической схемой с ограниченной нагрузочной способностью по току, важно, чтобы транзистор имел высокий коэффициент усиления по току, как в транзисторах BISS. Например, при токе базы 1,7 мА обеспечивается насыщение транзистора BISS типа PBSS435GT при токе коллектора Ic = 5GG мА,

В связи с тем, что логические элементы не могут обеспечить управление базовым током 1GG мА, для драйвера строки требуется дополнительный буфер на транзисторах ТБТ, на парах транзисторов (например, BC847BS), на транзисторах с дополнительным резистором (например, RET) или на парах транзисторов с дополнительными резисторами.

В том случае, когда напряжение питания составляет 5 В, большое значение имеет величина напряжения насыщения транзистора, так как напряжения насыщения транзисторов драйверов столбца и строки суммируются.

В таблице В для сравнения приведены характеристики транзисторов ТБТ и BISS, которые используются в таких схемах.

Драйверы двигателей

На рис. 13 показана схема управления 4-фазным шаговым двигателем, который используется, например, в сканерах, копирах и в некоторых устройствах автомобилей, На рис. 14 показана мостовая схема управления реверсивным двигателем. В таких схемах с помощью дискретных биполярных транзисторов осуществляется согласование стан-

Vcc

Рис. 13. Драйвер 4-фазного шагового двигателя

Таблица 9. Транзисторы BISS для драйверов двигателей

Тип Корпус Характеристика

PBSS2515VS SOT666 сдвоенный, 0.5 A

PBSS4350D/PBSS5350D SOT457 (SC-74) одиночный,3 A

PBSS4540Z/PBSS5540Z SOT223 (SC-73) одиночный,5 A

PBSS4140S/PBSS5140S SOT54 (TO-92) выводной,1 A

PBSS4350S/PBSS5350S SOT54 (TO-92) выводной,3 A

Схема управления

IVcc

—і А, ,А

і

Рис. 14. Мостовой драйвер двигателя

дартных интегральных микросхем (контроллеров) с цепями управления двигателей.

При использовании транзисторов BISS, обладающих низким напряжением насыщения, повышается эффективность драйвера двигателя, особенно при низком напряжении питания. Это важно, поскольку значения напряжения насыщения транзисторов (рис. 14) суммируются.

Таблица 10. Транзисторы ТБТ и BISS для мостовых схем

Транзисторы ТБТ BISS-транзисторы

Полярность NPN PNP NPN PNP

Тип транзистора (корпус) BC817-40 (SOT23) BC807-25 (SOT23) PBSS4350T (SOT23) PBSS5350T (SOT23)

Макс. напр. коллектор-эмиттер, В 45 50

Импульсный ток коллектора !с, А 0,5 0,5

Минимальный коэффициент усиления по току 40 40 300 200

Ток базы, необходимый для насыщения, мА <12,5 <12,5 <1,7 <2,5

Максимальное напряжение насыщения, В 0,7 | + 0,7 0,09 | + 0,09

Падение напряжения, В <1,4 <0,18

Таблица 11. Типы транзисторов BISS

lc Vc E0 Тип, одиночный Тип, сдвоенный

Код Корпус 0,5 A < < < Ї-0 < Ю 15 В 20 В 40 В 50 В NPN PNP 2xNPN 2xPNP NPN/PNP

PBSS. PBSS. PBSS. PBSS. PBSS.

1608 SOT490 (SC-89) x x ...2515F ...3515F

1612 SOT666 x x .2515VS .3515VS .2515VPN

1608 SOT490 (SC-89) x x ...2540F ...3540F

1612 SOT666 x x .4140V .5140V

1612 SOT666 x x .4240V* .5240V*

2012 SOT363 (SC-88) x x .2515YPN

2012 SOT323 (SC-70) x x ...4140U .5140U

2012 SOT363 (SC-88) x x ...4240Y .5240Y

2913 SOT23 x x ...4140T .5140T

2915 SOT457 (SC-74) x x .5140D .4140DPN

2915 SOT457 (SC-74) x x .4220DPN*

2913 SOT23 x x ...4240T .5240T

2913 SOT23 x x ...4320T .5320T

2915 SOT457 (SC-74) x x .5320D

2913 SOT23 x x ...4350T .5350T

2915 SOT457 (SC-74) x x ...4350D .5350D

6535 SOT223 (SC-73) x x ...4350Z .5350Z

6535 SOT223 (SC-73) x x ...4540Z .5540Z

выводной SOT54 (TO-92) x x ...4140S .5140S

выводной SOT54 (TO-92) x x ...4350S .5350S

* — разрабатывается. Приведена линейка NXP Semiconductors на апрель 2002 г.

PBSS 2 5 15 V S

Philips Breakthrough -

in Small Signal

Полярность -

2 NPN (lc< 1 A)

3 PNP (lc < 1 A)

4 NPN (1 A£ lc < 10 A)

5 PNP (1 A £ lc < 10 A)

6 NPN (lc> 10 A)

7 PNP (lc > 10 A)

8 NPN(Vceo>100B)

9 PNP (VCE0 > 100 B)

Макс. ток коллектора

L

Конфигурация — сдвоенный транзистор РЫ — комплементарная пара транзисторов

-Корпус

Р 80Т457 (8С-74)

Е 80Т416 (8С-75)

? 80Т490 (вС-89)

К 80Т346 (ЗС-59)

Б ЭОТ54 (ТО-92)

т вотгз и эотзгз (эс-70)

V вОТббб

х вотвэ

У БОТЗбЗ (БС-88)

7. вотггз

- Макс. напр.

коллектор—эмиттер

Рис. 15. Маркировка транзисторов BISS

Кроме того, в связи с уменьшенной мощностью рассеяния можно использовать транзисторы BISS в маленьких и дешевых корпусах, например SOT457/SC-74 вместо SOT223/SC-73.

Выводы

При использовании транзисторов BISS (табл. 11, рис. 15) взамен традиционных биполярных транзисторов удается реализовать следующие преимущества:

1. Повышается эффективность схемы, благодаря уменьшению напряжения насыщения коллектор-эмиттер.

2. Уменьшается мощность рассеяния, увеличивается допустимая окружающая температура.

3. Увеличивается коэффициент усиления по току, увеличивается допустимый ток коллектора.

4. Уменьшаются габариты, снижается стоимость изделий. ■