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二极管正确使用方法

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 二极管——BAV21W-7-F是最基本的电路器件,硬件工程师经常使用,但你未必能用对,未必能用好。 比如说大家都知道接口部分一般都需要ESD保护,其实TVS瞬变电压抑制二级管用作ESD保护就极为讲究,对于USB3.0, HDMI接口等高速器件,要特别关注TVS管上的结电容参数,一般根据信号速率选取几个pf,如果电容值过大,电路将无法正常工作,但是对于一般的低速接口或者电源管脚,此时可以选择寄生电容值大的TVS管,因为更便宜,控制BOM的成本也是硬件工程师的重要职责,数据手册中结电容如下图一所示。
  实际的工程实际中,二极管常用于交流电压转换成直流电压电路中,也常常用来做稳压电路,限幅电路,续流电路,挑几个常见且重要的电流来分析一下。

  图1 TVS管中结电容的参数情况


  二极管的作用就如同是一个电流的单向门。当二极管的阳极相对于阴极为正电压时,二极管允许电流通过,而当极性相反后,二极管不允许电流通过。


  图2 二极管符号及种类


  1.二极管作用的类比水流模拟
  课本中经常将电压比作水压来模拟,同样二极管的功能也可以类似水流来模拟。二极管相对电流就像是一个单向阀门,比如下图的正向偏置时,只要偏置电压超过阈值电压,阀门就会打开,水流可以顺利流下来;对于反向偏置时,阀门无法打开,没有水流流过。


  图3 二极管的类比以及IV曲线


  以上,右图是二极管最为重要的IV曲线,基本上用到所有的二极管都需要重点开此图,从上图可以清楚看出,不管二极管的正向电流或者反向电压都不能超过额定值,否则会损坏。
  2.整流二极管
  利用二极管单向导电性,可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。


  图4 AC/DC转换电路简图


  3.续流二极管
  在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起续流作用,这个功能非常实用。
  在图5中,开关A和开关B分别利用PFET和NFET开关实现,构成一个同步降压调节器。“同步”一词表示将一个FET用作低端开关。用肖特基二极管代替低端开关的降压调节器称为“异步”(或非同步)型。处理低功率时,同步降压调节器更有效,因为 FET 的压降低于肖特基二极管,主要由Rds(on)决定。然而,当电感电流达到0时,如果底部FET未释放,同步转换器的轻载效率会降低,而且额外的控制电路会提高IC的复杂性和成本。肖特基二极管可以用作续流二极管,肖特基的PN结比较特殊,这使它具有非常小的结电容,存储电荷很少,因此这种结具有非常快的开关速度,可以用于高速嵌位。肖特基二极管特长是:开关速度非常快,反向恢复时间特别短。因此,能制作开关二极管低压大电流整流二极管。


  图5 降压稳压器BUCK电路中肖特基二极管的使用


  图6中,开关A和B已分别使用内部NFET和外部肖特基二极管,从而形成异步升压调节器。对于需要负载隔离和低关断电流的低功耗应用,可添加外部FET。


  图6 升压调节器BOOST电路中肖特基二极管的使用


  顺便提一下,整流MOS管开通,关断所产生的纹波是主要噪声源之一。开关管开通关断都会有一个上升时间和下降时间,在电路中会引起同频的噪声。输出回路的电感也会随着充电放电产生一个噪声,同时也会有漏感产生。而解决办法就是:
  用合适的滤波器滤除。
  在MOS管外加肖特基二极管,反向恢复时间很短,可以降低损耗。


  图7 同步整流器BUCK电路的基本框图