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，未必能用好。 比如說(shuō)大家都知道接口部分一般都需要ESD保護，其實(shí)TVS瞬變電壓抑制二級管用作ESD保護就極為講究，對于USB3.0, HDMI接口等高速器件，要特別關(guān)注TVS管上的結電容參數，一般根據信號速率選取幾個(gè)pf，如果電容值過(guò)大，電路將無(wú)法正常工作，但是對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，因為更便宜，控制BOM的成本也是硬件工程師的重要職責，數據手冊中結電容如下圖一所示。

實(shí)際的工程實(shí)際中，二極管常用于交流電壓轉換成直流電壓電路中，也常常用來(lái)做穩壓電路，限幅電路，續流電路，挑幾個(gè)常見(jiàn)且重要的電流來(lái)分析一下。

圖1 TVS管中結電容的參數情況

二極管的作用就如同是一個(gè)電流的單向門(mén)。當二極管的陽(yáng)極相對于陰極為正電壓時(shí)，二極管允許電流通過(guò)，而當極性相反后，二極管不允許電流通過(guò)。

圖2 二極管符號及種類(lèi)

1.二極管作用的類(lèi)比水流模擬

課本中經(jīng)常將電壓比作水壓來(lái)模擬，同樣二極管的功能也可以類(lèi)似水流來(lái)模擬。二極管相對電流就像是一個(gè)單向閥門(mén)，比如下圖的正向偏置時(shí)，只要偏置電壓超過(guò)閾值電壓，閥門(mén)就會(huì )打開(kāi)，水流可以順利流下來(lái);對于反向偏置時(shí)，閥門(mén)無(wú)法打開(kāi)，沒(méi)有水流流過(guò)。

圖3 二極管的類(lèi)比以及IV曲線(xiàn)

以上，右圖是二極管最為重要的IV曲線(xiàn)，基本上用到所有的二極管都需要重點(diǎn)開(kāi)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(guò)額定值，否則會(huì )損壞。

2.整流二極管

利用二極管單向導電性，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轉換電路簡(jiǎn)圖

3.續流二極管

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

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

圖5 降壓穩壓器BUCK電路中肖特基二極管的使用

圖6中，開(kāi)關(guān)A和B已分別使用內部NFET和外部肖特基二極管，從而形成異步升壓調節器。對于需要負載隔離和低關(guān)斷電流的低功耗應用，可添加外部FET。

圖6 升壓調節器BOOST電路中肖特基二極管的使用

順便提一下，整流MOS管開(kāi)通，關(guān)斷所產(chǎn)生的紋波是主要噪聲源之一。開(kāi)關(guān)管開(kāi)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(zhù)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