關(guān)于二極管的性能分析和介紹

有個(gè)網(wǎng)友發(fā)信息給我，說他在5V輸出轉(zhuǎn)換器的輸出端并聯(lián)的二極管有損壞的狀況，請(qǐng)我給些建議。他的電路是這樣的：

這個(gè)圖的左面是DC/DC轉(zhuǎn)換器，因?yàn)椴皇橇㈣煹?a target="_blank">產(chǎn)品，我們又要談問題，為了避嫌，我就不讓它露面了。

實(shí)際中損壞的二極管就是圖中的D8，按照型號(hào)查閱的資料表明這是一款擊穿電壓為5.6V的齊納二極管，也就是我們常說的穩(wěn)壓二極管。

朋友之所以會(huì)用上這個(gè)管子，是因?yàn)閾?dān)心穩(wěn)壓器輸出的電壓太高，可能損壞遠(yuǎn)端連接的負(fù)載，現(xiàn)在負(fù)載沒有壞，這個(gè)管子倒是先壞了，讓他很著急，因?yàn)楫a(chǎn)品馬上要批量生產(chǎn)了。

在正常情況下，穩(wěn)壓器的輸出電壓總是會(huì)按照設(shè)定去輸出的，所以，我覺得這個(gè)朋友是有些多慮了，這個(gè)二極管是沒有必要加的。非正常狀況下，輸出電壓確實(shí)是有可能會(huì)高于設(shè)定的輸出電壓的，這個(gè)時(shí)候就需要在系統(tǒng)中考慮過壓保護(hù)的問題，但是這卻不是靠著這只二極管可以實(shí)現(xiàn)的，它只會(huì)在高壓下自動(dòng)地?fù)p壞掉，不會(huì)帶來持續(xù)的保護(hù)作用。

這只穩(wěn)壓二極管為什么會(huì)損壞呢？這其實(shí)是由齊納二極管的特性決定的，你不能在沒有任何限流措施的情況下給它加電壓，這很可能導(dǎo)致過高的電流流過它，管子因?yàn)檫^多的熱量積累而不堪重負(fù)，最好只好落得燒毀的下場(chǎng)。

為什么過高的電壓會(huì)形成大電流呢？看看下圖就明白了：

齊納二極管表現(xiàn)出反向壓降UZ的時(shí)候，流過它的電流是很小的。以該設(shè)計(jì)中所選的型號(hào)3SMAJ5919B來看，它的5.6V電壓出現(xiàn)在電流IZ= 66.9mA的時(shí)候（見下圖中的數(shù)據(jù)IZT，為測(cè)試電流）。

如果該器件的穩(wěn)壓特性非常好，外加電壓只需超過5.6V一點(diǎn)點(diǎn)，流過它的電流就可以達(dá)到甚至超過IZM（這表示器件的動(dòng)態(tài)電阻很小，穩(wěn)壓精度高。以上表所列數(shù)據(jù)250?來計(jì)算，要達(dá)到534mA的最大電流，其外加電壓只需再增加（534 - 66.9）/250 = 1.8684mV即可），而這個(gè)電流就是該二極管能夠承受的最大電流，再大的電流它就不能承受了，這個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)際上和器件的功率耗散能力直接相關(guān)，所以你能看到不同穩(wěn)壓值的二極管的這個(gè)電流值是不一樣的（上圖中的IZM）。

DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是由什么決定的呢？如果它的工作條件是良好的，負(fù)載也沒有超出其能力，它的輸出電壓就是由其自身決定的。這個(gè)二極管在這里也就是它的負(fù)載，當(dāng)流過二極管的電流還不夠大的時(shí)候，電壓完全由轉(zhuǎn)換器本身確定，所以二極管不會(huì)起到穩(wěn)壓的作用。當(dāng)電壓提高到使二極管的電流足夠大時(shí)，二極管的擊穿電壓將轉(zhuǎn)換器的輸出電壓鉗制住，二者處于平衡狀態(tài)，但這種平衡將很快被打破，二極管將因過熱而燒毀短路，輸出電壓被拉到很低的狀態(tài)，轉(zhuǎn)換器的負(fù)載電流超過其負(fù)載能力，如果它被設(shè)計(jì)得很完善，這時(shí)候就會(huì)發(fā)生兩種保護(hù)——過流保護(hù)和欠壓保護(hù)，如果它被設(shè)計(jì)得不完善，轉(zhuǎn)換器自身的安危就成了問題。

上面說了這個(gè)型號(hào)的齊納二極管的穩(wěn)壓值是5.6V，但實(shí)際上這只是這個(gè)參數(shù)的典型值。實(shí)際中的齊納二極管的擊穿電壓（也就是前述的穩(wěn)壓值）分布范圍是很寬的，它們不能像集成電路那樣被設(shè)定成很精確的數(shù)據(jù)，這是由制造工藝決定的。這個(gè)客戶遇到的那些損壞了的狀況，如果能夠排除電路中實(shí)際出現(xiàn)的高壓，通常就是那些擊穿電壓分布在低區(qū)的那部分，它們又恰好遇到了穩(wěn)壓器輸出電壓較高的那部分（這也是有一定的分布特性的），兩者的結(jié)合造成了最后的損壞結(jié)果。關(guān)于兩者的分布特性以及它們的重疊情況，可參考下圖，我因沒有實(shí)際的數(shù)據(jù)，所以用正態(tài)分布的曲線來代替現(xiàn)實(shí)，而正態(tài)分布在實(shí)際上的可能性為最大。

有時(shí)利用某個(gè)參數(shù)的分布特性去理解現(xiàn)實(shí)是很有用的，我曾用這樣的數(shù)據(jù)解決過很重要的客訴問題，幫助客戶找出了設(shè)計(jì)中的缺陷。對(duì)于立锜的產(chǎn)品來說，規(guī)格書中所列出來的所有數(shù)據(jù)都會(huì)有詳細(xì)的生產(chǎn)測(cè)試記錄，這些數(shù)據(jù)幫了我的大忙。如果某一天你在使用立锜產(chǎn)品中出現(xiàn)了這樣的問題，你是可以在此方面尋求立锜的幫助的。

當(dāng)我們能通過這些思考找到二極管損壞的原因的時(shí)候，能夠馬上做出的決定自然就是不要安裝它了，而這也就是我給那位朋友的建議。

但是這位朋友的擔(dān)憂有沒有被解除呢？我認(rèn)為是沒有。

有的轉(zhuǎn)換器在設(shè)計(jì)中會(huì)特別設(shè)計(jì)輸出過壓保護(hù)功能，但這并不常見，因?yàn)橐豢钇胀ǖ霓D(zhuǎn)換器沒有必要去考慮這個(gè)問題，這樣做會(huì)把設(shè)計(jì)復(fù)雜化，過壓保護(hù)功能總是獨(dú)立于正常的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)而存在并對(duì)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行控制。這個(gè)朋友的設(shè)計(jì)并沒有選用立锜的產(chǎn)品，所以我也不了解他所用的器件是否有這方面的考慮，但即便有，這種保護(hù)也是不完善的，因?yàn)樾枰Ｗo(hù)的是負(fù)載，而轉(zhuǎn)換器的輸出到負(fù)載之間還有長(zhǎng)長(zhǎng)的傳輸線，它與負(fù)載的結(jié)合也有可能在負(fù)載端造成高電壓，所以施加保護(hù)的位置應(yīng)該是在負(fù)載那一側(cè)。

我們常用的手機(jī)就是常見的長(zhǎng)線傳輸供電的例子，5V電源適配器的輸出經(jīng)過至少幾十厘米的充電線后接入手機(jī)，這個(gè)端口上就常常出現(xiàn)高壓，它們通常是由傳輸線的自感和手機(jī)輸入端的電容在電流的沖擊下共同形成的高頻振鈴信號(hào)。如果手機(jī)體積很大，我們可以在手機(jī)的輸入端增加一個(gè)等效串聯(lián)內(nèi)阻比較大的電解電容來消解它，但可惜這是不現(xiàn)實(shí)的。采用RC串聯(lián)電路也能起到消解的作用，但會(huì)形成一定的功耗。比較常見的做法是采用高耐壓的電源IC去抵擋輸入端的高電壓，下面提供一些示例。

上圖所示電路就是一款非常簡(jiǎn)單的充電IC RT9527的應(yīng)用電路圖，它的VIN端的電壓最高可以到28V而不會(huì)損壞，但它的實(shí)際推薦工作電壓范圍只是4.4V-6V，當(dāng)輸入電壓高于6.5V（典型值）的時(shí)候，過壓保護(hù)OVP就發(fā)生了，輸入的高壓不可能到達(dá)其輸出端。

上圖是目前很熱門的手機(jī)直充功能必然會(huì)用到的IC RT9750，它能以8mΩ的接通電阻將輸入端的電壓直接導(dǎo)入電池為電池充電，充電電流可高達(dá)6A，它的工作電壓范圍為3V-6V。它也可以實(shí)現(xiàn)輸入過壓保護(hù)，但其過壓保護(hù)的閾值是可以通過軟件進(jìn)行調(diào)節(jié)的，可調(diào)范圍介于4.2V-6V之間，所有高于過壓保護(hù)閾值的輸入電壓都會(huì)被禁止進(jìn)入系統(tǒng)，它的輸入端即使見到22V的電壓也不會(huì)損壞。這顆IC還有很多專門針對(duì)充電應(yīng)用所必須的功能，這里不詳述了。

上面提到的這些解決方案都是針對(duì)電池的，其實(shí)非電池的負(fù)載一樣有可供選擇的過壓保護(hù)解決方案，下面略取二例。

RT9746，耐壓28V的過壓過流保護(hù)開關(guān)，最大電流負(fù)載能力為4.5A，過壓保護(hù)閾值有6.2V、6.8V、11.5V、14.5V等幾檔可選，也可以自行設(shè)定其過壓保護(hù)點(diǎn)。雖然上述原理圖的輸出端畫的是Charger，但那實(shí)際上是作為負(fù)載來使用的，你可以任意換成其他負(fù)載，由于它們沒有機(jī)會(huì)見到高于RT9746過壓保護(hù)閾值的電壓，因而可以使用低耐壓器件。

RT1720，這可是個(gè)強(qiáng)大的東東，我曾經(jīng)專門寫文章介紹過它，5V-80V的工作電壓范圍，輸出電壓最高60V可調(diào)，只要輸入電壓低于設(shè)定的最高輸出電壓，從輸入到輸出的路徑就是暢通無阻的，過高的輸入出現(xiàn)時(shí)則對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之不高于應(yīng)用的需要。即使輸入電壓在-60V - +90V范圍內(nèi)變化，負(fù)載也絕無因此損壞的可能，它自己也會(huì)很安全。