一、二极管概念
1.1 PN结
二极管是用半导体材料(硅、硒、锗等)制成的一种电子器件 。二极管有两个电极,正极,又叫阳极;负极,又叫阴极,给二极管两极间加上正向电压时,二极管导通, 加上反向电压时,二极管截止。 二极管的导通和截止,则相当于开关的接通与断开。二极管具有单向导电性能,导通时电流方向是由阳极通过管子流向阴极。
1.2 一般二极管伏安特性曲线
下图中:
PN 结没有电压的状态:
- 电流 i = 0。
PN 是正电压状态:
- u < Uon 时,正向电路 i ≈ 0。
- u > Uon 时,正向电流 i 随电压增长 u 随指数增长。
N加外加反向电压
- u < Ubr 时,反向电流i = Is, Is 很小,通常忽略不计。
- u> Ubr 时,反向电流i急剧增加,称之为反向击穿,此原理制成稳压管,TVS管等。
其中:Uon为正常开启电压,Ubr为反向击穿电压。
得出结论:PN结具有单向导电性。 外加正向且大于 Uon 开启电压时,PN 结导通;外加正向且小于 Uon 或外加反向且小于 Ubr 时,PN 结截止;外加反向电压且大于 Ubr 时,PN 结反向击穿。
二、二极管类型
2.1 通用二极管
特点:电流小,工作频率高。
选型依据:正向电流、正向压降、功耗,反向最大电压,反向恢复时间。
典型型号:BAS316 IN4148WS
2.2 整流二极管
通常用于整流桥滤波成直流电
特点:电流大、工作频率低
关注参数:正向电流、正向压降、功耗、反向最大电压、封装等
典型型号:IN4007
单项桥式整流电路配置了四个二极管。
交流电在 0~π 电流如左侧红色路径走向,在 π~2π 之间则是蓝色走向。这样就获得了比单项半波整流电路提升二倍的效率。
加入电容可以滤波,使得脉冲平稳。
2.3 肖特基二极管
特点:开关频率高,正向压降低。
关注参数:正向电流,正向压降,功耗,反向最大电压,封装等。
应用场合:肖特基二极管的结构及特点使其适合于在低压、高频、大电流,比如降压(BUCK)降压的续流二极管,升压(BOOST)升压的隔离二极管等。
下图位防反接应用:
DC 电源中做续流二极管使用:
三、肖特基二极管
定义:以发明人肖特基博士 (Schottky) 命名,,SBD (Schottky Barrier Diode) 是肖特基势垒二极管的缩写,不同于一般二极管的P半导体和N半导体接触形成,肖特基二极管是利用金属和半导体接触形成。
肖特基的两个主要特点,一个是正向导通压降比较低,一般在0.15-0.5V之间,导通压降低可以提高系统的效率。
还有一个是反向恢复时间短,一般在几个纳秒。大电流的肖特基二极管常用来作为整流管。小电流的肖特基,经常用作续流二极管,因为其反向恢复时间短的优点。
3.1 快回复二极管与肖特基二极管的区别
- 快回复二极管的反向恢复时间为数百纳秒,超快恢复型的在100纳秒以下;
- 肖特基一般几十,最小的几个纳秒。
- 快回复二极管反向耐压高,一般都高于200v,高的上千v;
- 肖特基用在低压场合,反向耐压100V以下,一般在几十v左右。
- 肖特基的正向导通压降一般比快回复二极管更低;
- 快回复二极管功耗大,肖特基二极管损耗及噪声小;
3.2 作为续流二极管
续流二极管叫 flyback diode,其实就是二极管,在电路中充当的作用是续流,常采用肖特基二极管或者快恢复二极管作为 “续流二极管”。
有在使用感性器件的电路中常见续流二极管,如DC-DC电路、继电器控制电路、蜂鸣器控制电路等。
举个例子:如下的三极管驱动继电器电路中,会加入续流二极管保护三极管。
原理是:继电器吸合状态,通过继电器线圈的电流是从上往下,但是在继电器断开状态,线圈上会产生反向的感应电动势,如图所示,线圈的上端会变为负,下端变为正,加一个续流二极管,和线圈形成了一个放电回路,电流方向是从下往上,避免损坏三极管。
3.3 肖特基二极管参数解读
我们用 Diodes 公司推出的 1N5817-1N5819 通用手册肖特基二极管手册来解读:
3.3.1 Vr 最大反向电压
Peak Repetitive Reverse Voltage ;Working Peak Reverse Voltage ;DC Blocking Voltage
在 Ta=25℃ 下超过二极管最大的反向电压 VR,二极管会被击穿,导致损坏。
3.3.2 Io 平均整流正向电流
Average Rectified Output Current
平均正向电流,这个电流值是可持续性的,我们看到手册上标注的是 1A。
3.3.3 Ifsm 峰值正向浪涌
Non-Repetitive Peak Forward Surge Current 8.3ms
峰值正向浪涌电流,是非重复性的,我们看到手册上标注的是 25A。
3.3.4 Vf 导通压降
Forward Voltage
VF 为肖特基二极管正向导通时肖特基二极管两端的压降,选择肖特基二极管是尽量选择 VF 较小的肖特基二极管。我们看到手册上标注的是 0.45 到 0.6 V 不等。
3.3.5 IR 反向漏电流:
Peak Reverse Leakage Current
IR 指在肖特基二极管两端加入反向电压时,流过肖特基二极管的电流,肖特基二极管反向漏电流较大,选择肖特基二极管是尽量选择 IR 较小的肖特基二极管。
3.3.4 Tj 工作温度
Operating and Storage Temperature Range
工作温度和储存温度
四、普通二极管,肖特基,整流管选型技巧
- 根据用途,确定二极管的类型,肖特基还是普通二极管,快回复还是大整流管。
- 根据电路正常工作的最大电流,以及瞬间能产生的最大电流,确定二极管的 Io 和 Ifsm 值。
- 根据电路能出现大最大反向电压,确定 VR 值。
- 根据电路功耗要求,确定反向电流 IR,肖特基的,一般都很小,1uA 左右,低功耗应用,也要非常注意。
- 根据输出电压的要求,确定 vi 的值。
这个要特别考虑,如上图, Vfmax=0.6V@If=200mA,指的是正向电流在200mA时,二极管正向压降最大不超过0.6V。
一定范围内,二极管的正向电压其实和正向电流成正比,电流越大,压降越大,这个时候要看一下我们的实际电路电流情况。
同时也要看一下工作温度,正向压降和工作温度也强相关。
这个时候,需要看一下二极管的VF-IF曲线,作为参考选型。
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