電子元件

發(fā)布日期：2024-12-16 19:32 瀏覽次數(shù)：

內(nèi)容包括瞬態(tài)抑制二極管與肖特基二極管的一般介紹，詳述普通二極管與肖特基二極管的恢復(fù)時(shí)間，肖特基二極管在開關(guān)電源與反向保護(hù)中的應(yīng)用。持續(xù)更新，原創(chuàng)不易！

一、瞬態(tài)抑制二極管

1、工作原理

2、如何區(qū)分TVS管單向和雙向

1）看型號(hào) 2）看規(guī)格書 3）用萬用表測(cè) 4）通過自身標(biāo)記

3、單/雙向使用上的不同點(diǎn)

4、選用TVS的步驟

5、TVS管的應(yīng)用

1）TVS管與ESD保護(hù)管 2）靜電放電防護(hù)

二、肖特基二極管

1、概述

2、肖特基二極管的主要優(yōu)缺點(diǎn)

1）反向恢復(fù)時(shí)間短 2）正向穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通壓降低 3）缺點(diǎn) 4）總結(jié)

3、使用注意事項(xiàng)

4、肖特基管的應(yīng)用

1）在開關(guān)電源中應(yīng)用

2）反向電壓保護(hù)

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系統(tǒng)的電子元件知識(shí)移步:CSDN的“愛上電路設(shè)計(jì)”。

一、瞬態(tài)抑制二極管

1、工作原理

TVS二極管與常見的穩(wěn)壓二極管的工作原理相似，如果高于標(biāo)志上的擊穿電壓，TVS二極管就會(huì)導(dǎo)通。與穩(wěn)壓二極管相比，TVS二極管有更高的電流導(dǎo)通能力。TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，以10^(-12)S量級(jí)速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，同時(shí)吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率。使兩極間的電壓箝位于一個(gè)安全值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件免受浪涌脈沖的破壞。

用于吸收ESD能量、保護(hù)系統(tǒng)免受ESD/Surge損害的固態(tài)元件。一般用于被保護(hù)系統(tǒng)的前級(jí)，保護(hù)電壓略高于被保護(hù)系統(tǒng)的額定電壓。

2、如何區(qū)分TVS管單向和雙向

1）看型號(hào)

單從型號(hào)表面我們就可以判斷，雖然不同品牌命名方式不同，但都有規(guī)律：

品牌

單向

雙向

東沃電子(DOWO)

電壓值后不帶“C”

帶“C”

安森美(ON)

封裝除B以外的字母都表示單向

B表示雙向51漫畫

恩智浦(NXP)

倒數(shù)第二個(gè)字母U表示單向

B表示雙向

韋爾(WILL)

B表示雙向

其他字母表示單向

芯導(dǎo)(Prisemi)

末尾字母U表示單向

B表示雙向

Risym雙向TVS瞬態(tài)電壓抑制二極管P6KE15CA/DO-15，功率600W；P4KE15CA/DO-15，功率400W。

SMAJ后面的參數(shù)表示抑制電壓，比如SMAJ5.0A就是5V單向瞬態(tài)電壓抑制二極管，如果是SMAJ5.0CA就是5V雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管。

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2）看規(guī)格書

一般在第一頁就有。

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3）用萬用表測(cè)

測(cè)量二極管的檔位，單向1邊通，雙向2邊都有電壓；測(cè)直流，雙向?qū)ΨQ，單向只有反向是雪崩擊穿特性，一般1mA電流下測(cè)量。

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4）通過自身標(biāo)記

所有TVS管放大后會(huì)有根陰極線，它是用來區(qū)分二極管正負(fù)極，與單雙向無關(guān)。

3、單/雙向使用上的不同點(diǎn)

1）單向用在直流，雙向用在交流；

2）TVS管有單向與雙向之分，單向TVS管的特性與穩(wěn)壓二極管相似，雙向TVS管的特性相當(dāng)于兩個(gè)穩(wěn)壓二極管反向串聯(lián)；

3）極間電容Cj，單向的比雙向的大。以LRC的為例，單向的電容C有65pF，雙向的只有15pF；

4）USB數(shù)據(jù)線上全部采用雙向；

5）電流曲線不同。單向TVS管的電路符號(hào)與普通的穩(wěn)壓管相同，其電壓-電流特性曲線如下圖所示，其正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。雙向二極管正反向都是典型的PN結(jié)雪崩器件。具體的選型還是需要專業(yè)工程師指導(dǎo)，經(jīng)過參數(shù)領(lǐng)域分析后針對(duì)性選型比較安全。

4、選用TVS的步驟

1）確定待保護(hù)電路的直流電壓或持續(xù)工作電壓。如果是交流電，應(yīng)計(jì)算出最大值，即有效值的1.414倍。

2）TVS的反向變位電壓即工作電壓（VRWM）----選擇TVS的VRWM等于或大于上述步驟1所規(guī)定的操作電壓。這就保證了在正常工作條件下TVS吸收的電流可忽略不計(jì),如果步驟1所規(guī)定的電壓高于TVS的VRWM ,TVS將吸收大量的漏電流而處于雪崩擊穿狀態(tài)，從而影響電路的工作。

3）最大峰值脈沖功率：確定電路的干擾脈沖情況,根據(jù)干擾脈沖的波形、脈沖持續(xù)時(shí)間,確定能夠有效抑制該干擾的TVS峰值脈沖功率。

4）所選TVS的最大箝位電壓（VC）應(yīng)低于被保護(hù)電路所允許的最大承受電壓，建議Vbr≥1.2*工作電壓。

5）單極性還是雙極性----雙向TVS用于交流電或來自正負(fù)雙向脈沖的場合。TVS有時(shí)也用于減少電容。如果電路只有正向電平信號(hào)，那么單向TVS就足夠了。TVS操作方式如下：正向浪涌時(shí),TVS處于反向雪崩擊穿狀態(tài)；反向浪涌時(shí)，TVS類似正向偏置二極管一樣導(dǎo)通并吸收浪涌能量。在低電容電路里情況就不是這樣了。應(yīng)選用雙向TVS以保護(hù)電路中的低電容器件免受反向浪涌的損害。

6）如果知道比較準(zhǔn)確的浪涌電流IPP，那么可以利用VC來確定其功率。如果無法確定功率的概范圍，一般來說，選擇功率大一些比較好。

5、TVS管的應(yīng)用

1）TVS管與ESD保護(hù)管

TVS瞬態(tài)電壓抑制，電子器件遭受直接或者是間接的雷擊，靜電放電等因素導(dǎo)致的浪涌，電壓從幾伏到幾千伏不等。ESD靜電放電保護(hù)就是對(duì)器件靜電的防護(hù)。

TVS二極管和ESD二極管相比較，兩者的原理一樣，但是根據(jù)功率和封裝來分就不一樣。ESD主要是用來防靜電，防靜電要求電容值低，一般是在1pF～3.5pF之間最好，但是TVS就做不到這點(diǎn)，因?yàn)門VS的電容值比較高。

它們的應(yīng)用場合也不同，TVS一般用于初級(jí)和次級(jí)的保護(hù)，而ESD主要用于板級(jí)的保護(hù)，選擇TVS時(shí)一般看器件的封裝還有功率。ESD器件一般看中ESD防護(hù)等級(jí)和ICE6100-4-2的水平。

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2）靜電放電防護(hù)

防止過壓損壞的最佳保護(hù)措施是用非線性電路進(jìn)行限壓或鉗位，最常用的是專門的二極管(比如TVS管)，當(dāng)它們?cè)谇跋蚱没蛱幱邶R納擊穿區(qū)時(shí)具有很低的阻抗。引入限壓器可以快速引起某些別的事件，因?yàn)橥ㄟ^電容放電會(huì)有大的浪涌電流經(jīng)過限壓器。

雖然消除了高瞬態(tài)電壓，但代之以幾個(gè)安培的浪涌電流可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)其它問題。具體取決于隨后路徑的總阻抗，浪涌電流可以達(dá)到幾個(gè)安培。在為芯片設(shè)計(jì)I/O單元時(shí)，經(jīng)?？吹?A～16A的浪涌電流進(jìn)入器件。處理如此巨大的瞬態(tài)浪涌電流已經(jīng)成為ESD設(shè)計(jì)中的大問題。限制電壓還算比較容易，但形成的電流可能使系統(tǒng)中其它地方的電路和地發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

被限壓器強(qiáng)制導(dǎo)入地的電流將在系統(tǒng)的那個(gè)節(jié)點(diǎn)中產(chǎn)生感應(yīng)性振鈴現(xiàn)象。電源通常沿著地線傳播，并且是電源去耦電容的函數(shù)，因此系統(tǒng)核心仍能正常工作。不過連到電路板上的控制線可能出現(xiàn)混亂，因?yàn)樗鼈兪窍鄬?duì)板外的地而建立的。結(jié)果可能在某個(gè)位置發(fā)生ESD事件，并致使電路板上的某個(gè)輸入端看起來出現(xiàn)故障。

如上圖，通過限壓器將大的浪涌電流注入到地引起PCB地的反彈，表現(xiàn)為連接電感的一個(gè)函數(shù)。

在許多情況下，在TVS器件之前增加一些串聯(lián)電阻有助于限制電流浪涌，并減少地線反彈。

二、肖特基二極管

1、概述

當(dāng)普通二極管施加反向電壓時(shí)，它有很大的反向電流。下面以1N4004來說，其反向恢復(fù)時(shí)間為2uS，在這2uS時(shí)間內(nèi)就產(chǎn)生了反向恢復(fù)電流。

如果給1N4004正向外加50HZ脈沖，如下圖。

電子元件(圖10)

當(dāng)給1N4004正向施加25MHZ的脈沖時(shí)，其負(fù)向電流已經(jīng)不能忽略，如下圖。

這時(shí)二極管正反方向都有電流產(chǎn)生，已經(jīng)不能體現(xiàn)其單向?qū)щ娦?，所以在高頻場合普通二極管將無法勝任。為了使二極管工作在高頻場合，肖特基博士發(fā)明了肖特基(Schottky)二極管。

肖特基二極管也有反向恢復(fù)時(shí)間，可以縮短到10nS以內(nèi)，如下圖所示。

肖特基二極管又稱肖特基勢(shì)壘二極管(簡稱SBD)，它屬一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件，多用作高頻、低壓的整流二極管(如圖2.4.2)、續(xù)流二極管(如圖2.4.1)、保護(hù)二極管等。但是在使用過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)，其極易損壞。如何避免損壞，也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中必須考慮的問題。

巧記BAT54C、BAT54S、BAT54A：

2、肖特基二極管的主要優(yōu)缺點(diǎn)

1）反向恢復(fù)時(shí)間短

反向恢復(fù)時(shí)間是指二極管由流過正向電流的導(dǎo)通狀態(tài)切換到不導(dǎo)通狀態(tài)需要的時(shí)間。由于肖特基半導(dǎo)體導(dǎo)通時(shí)只有多數(shù)載流子，沒有少數(shù)載流子，所以理論上并沒有反向恢復(fù)時(shí)間，使肖特基二極管成為二極管中速度最快的一類。

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2）正向穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通壓降低

肖特基二極管正向壓降非常小，一般為0.2~0.45V，比快恢復(fù)二極管正向壓降低很多，所以自身功耗較小。

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3）缺點(diǎn)

最主要缺點(diǎn)是反向漏電流大，其依賴于反向電壓和結(jié)點(diǎn)溫度，漏電流隨溫度和反向電壓的增加而增加。反向漏電流隨溫度指數(shù)增加，最大漏電流與生產(chǎn)工藝有關(guān)。反向漏電流低的BAT54HT1：

圖2.1.2 BAT54HT1電氣參數(shù)

反向漏電流與溫度密切相關(guān)：

圖2.1.3 BAT54HT1溫度特性

反向漏電流極低的PMEG4002EB：

圖2.1.4 PMEG4002EB電氣參數(shù)

圖2.1.5 PMEG4002EB溫度特性

圖2.1.6 PMEG4002EB溫度掃描分析

溫度對(duì)肖特基影響舉例說明：

一個(gè)雙控電源的項(xiàng)目，用到雙肖特基BAT54C，在PWR_EN2為低的情況下，系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，突然掉電。查了半天發(fā)現(xiàn)A點(diǎn)電壓只有0.5V不到，無法讓Q43導(dǎo)通。

分析后發(fā)現(xiàn)BAT54C反向?qū)ò袮點(diǎn)電位拉低了，查看規(guī)格書漏電IR很低(2uA)，最后更換為1N4148解決。

事實(shí)上，反向漏電流跟溫度關(guān)系密切，BAT54C在溫度四五十度的時(shí)候，漏電流就很可觀了，在于工作電流相差不大的情況下，導(dǎo)致“反向?qū)ā钡募傧蟆?/p>

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4）總結(jié)

SIC二極管的開關(guān)速度幾乎為零，等于是沒有反向恢復(fù)時(shí)間，開關(guān)輻射最小，并且損耗也最小，缺點(diǎn)就是價(jià)格昂貴。

3、使用注意事項(xiàng)

1）肖特基的實(shí)際工作電流要小于肖特基的正向額定電流，且不能超過額定電流的60%；

2）肖特基的最高工作電壓要小于肖特基的最高反擊穿電壓，且不能超過額定電壓的70%；但肖特基的耐壓也不能選擇太高，因?yàn)閂F值會(huì)隨耐壓增加而增加，從而功耗和成本都會(huì)相應(yīng)增加；

電子元件(圖23)

3）肖特基的實(shí)際工作溫升值，要小于肖特基的最高結(jié)溫，并留有余量，保證其工作的穩(wěn)定性；

4）不同型號(hào)的肖特基，正向壓降所規(guī)定的IF(AV)也不一樣，需要注意，IF(AV)測(cè)試溫度各廠家有不同的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

5）肖特基不建議并聯(lián)使用

由半導(dǎo)體物理理論可以導(dǎo)出，在靜態(tài)條件下，二極管的電流與電壓的非線性關(guān)系為：

式中I為二極管電流，IS為二極管反向飽和電流，IS一般取8~10uA，IS隨溫度升高而增大，V是作用于二極管兩端的電壓，VT為PN結(jié)的溫度電壓當(dāng)量，在室溫條件下VT=26mV。

假設(shè)一般肖特基二極管導(dǎo)通壓降為0.4V，并聯(lián)二極管由于制造工藝和其他因素，造成正向?qū)▔航荡嬖?.1%的誤差，則兩只肖特基二極管正向?qū)▔航捣謩e為0.4V和0.401V，此時(shí)假設(shè)IS僅為2uA，則由(1)式得出：

由計(jì)算結(jié)果可知，肖特基二極管并聯(lián)無法實(shí)現(xiàn)均流，考慮到肖特基二極管最主要缺點(diǎn)是反向漏電流，漏電流隨溫度和反向電壓的增加而增加，IS會(huì)指數(shù)級(jí)增大。同時(shí)由于肖特基二極管的負(fù)溫度系數(shù)會(huì)導(dǎo)致正反饋，最終會(huì)使一個(gè)肖特基重載，一個(gè)肖特基輕載。若設(shè)計(jì)不合理，會(huì)導(dǎo)致重載的肖特基溫度過高，從而容易引發(fā)系統(tǒng)失效。

備注：所謂的不建議肖特基并聯(lián)使用是指在單個(gè)肖特基不能滿足系統(tǒng)需要的情況下，不能使用兩個(gè)同種規(guī)格的肖特基并聯(lián)，若系統(tǒng)在僅僅使用一個(gè)肖特基時(shí)就已經(jīng)滿足需要，此時(shí)再并聯(lián)一個(gè)同樣規(guī)格的肖特基效果自然更好。

比如，輸入12V/輸出5V/2.4A時(shí)，使用一個(gè)SMA封裝的SS54不能滿足要求(封裝太小、溫度太高、長時(shí)間工作容易失效，規(guī)格書)；使用兩個(gè)SMA封裝的SS54并聯(lián)，就可能會(huì)出現(xiàn)上述不良情況。這種情況下，使用一個(gè)SMC封裝的SS54的可以滿足要求。而對(duì)于使用一個(gè)SMC的SS54已經(jīng)能夠滿足要求的條件下，若再并聯(lián)一個(gè)SMC封裝的SS54，效果肯定優(yōu)于一個(gè)SMC封裝的SS54。

4、肖特基管的應(yīng)用

1）在開關(guān)電源中應(yīng)用

①導(dǎo)通壓降低。電源電流一般比較大，導(dǎo)通壓降低意味著損失的功耗低。

②響應(yīng)時(shí)間短。開關(guān)電源通過開關(guān)管切換，速度多在40～100KHz，故肖特基二極管響應(yīng)時(shí)間應(yīng)越快越好。