二極管正確使用方法

二極管是最基本的電路器件，硬件工程師經(jīng)常使用，但你未必能用對(duì)，未必能用好。 比如說大家都知道接口部分一般都需要ESD保護(hù)，其實(shí)TVS瞬變電壓抑制二級(jí)管用作ESD保護(hù)就極為講究，對(duì)于USB3.0, HDMI接口等高速器件，要特別關(guān)注TVS管上的結(jié)電容參數(shù)，一般根據(jù)信號(hào)速率選取幾個(gè)pf，如果電容值過大，電路將無法正常工作，但是對(duì)于一般的低速接口或者電源管腳，此時(shí)可以選擇寄生電容值大的TVS管，因?yàn)楦阋?，控制BOM的成本也是硬件工程師的重要職責(zé)，數(shù)據(jù)手冊(cè)中結(jié)電容如下圖一所示。

實(shí)際的工程實(shí)際中，二極管常用于交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓電路中，也常常用來做穩(wěn)壓電路，限幅電路，續(xù)流電路，挑幾個(gè)常見且重要的電流來分析一下。

圖1 TVS管中結(jié)電容的參數(shù)情況

二極管的作用就如同是一個(gè)電流的單向門。當(dāng)二極管的陽極相對(duì)于陰極為正電壓時(shí)，二極管允許電流通過，而當(dāng)極性相反后，二極管不允許電流通過。

圖2 二極管符號(hào)及種類

1.二極管作用的類比水流模擬

課本中經(jīng)常將電壓比作水壓來模擬，同樣二極管的功能也可以類似水流來模擬。二極管相對(duì)電流就像是一個(gè)單向閥門，比如下圖的正向偏置時(shí)，只要偏置電壓超過閾值電壓，閥門就會(huì)打開，水流可以順利流下來;對(duì)于反向偏置時(shí)，閥門無法打開，沒有水流流過。

圖3 二極管的類比以及IV曲線

以上，右圖是二極管最為重要的IV曲線，基本上用到所有的二極管都需要重點(diǎn)開此圖，從上圖可以清楚看出，不管二極管的正向電流或者反向電壓都不能超過額定值，否則會(huì)損壞。

2.整流二極管

利用二極管單向?qū)щ娦?，可以把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈動(dòng)直流電。

圖4 AC/DC轉(zhuǎn)換電路簡圖

3.續(xù)流二極管

在開關(guān)電源的電感中和繼電器等感性負(fù)載中起續(xù)流作用，這個(gè)功能非常實(shí)用。

在圖5中，開關(guān)A和開關(guān)B分別利用PFET和NFET開關(guān)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成一個(gè)同步降壓調(diào)節(jié)器。“同步”一詞表示將一個(gè)FET用作低端開關(guān)。用肖特基二極管代替低端開關(guān)的降壓調(diào)節(jié)器稱為“異步”(或非同步)型。處理低功率時(shí)，同步降壓調(diào)節(jié)器更有效，因?yàn)?FET 的壓降低于肖特基二極管，主要由Rds(on)決定。然而，當(dāng)電感電流達(dá)到0時(shí)，如果底部FET未釋放，同步轉(zhuǎn)換器的輕載效率會(huì)降低，而且額外的控制電路會(huì)提高IC的復(fù)雜性和成本。肖特基二極管可以用作續(xù)流二極管，肖特基的PN結(jié)比較特殊，這使它具有非常小的結(jié)電容，存儲(chǔ)電荷很少，因此這種結(jié)具有非?？斓拈_關(guān)速度，可以用于高速嵌位。肖特基二極管特長是：開關(guān)速度非?？?，反向恢復(fù)時(shí)間特別短。因此，能制作開關(guān)二極管低壓大電流整流二極管。

圖5 降壓穩(wěn)壓器BUCK電路中肖特基二極管的使用

圖6中，開關(guān)A和B已分別使用內(nèi)部NFET和外部肖特基二極管，從而形成異步升壓調(diào)節(jié)器。對(duì)于需要負(fù)載隔離和低關(guān)斷電流的低功耗應(yīng)用，可添加外部FET。

圖6 升壓調(diào)節(jié)器BOOST電路中肖特基二極管的使用

順便提一下，整流MOS管開通，關(guān)斷所產(chǎn)生的紋波是主要噪聲源之一。開關(guān)管開通關(guān)斷都會(huì)有一個(gè)上升時(shí)間和下降時(shí)間，在電路中會(huì)引起同頻的噪聲。輸出回路的電感也會(huì)隨著充電放電產(chǎn)生一個(gè)噪聲，同時(shí)也會(huì)有漏感產(chǎn)生。而解決辦法就是：

用合適的濾波器濾除。

在MOS管外加肖特基二極管，反向恢復(fù)時(shí)間很短，可以降低損耗。

圖7 同步整流器BUCK電路的基本框圖