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(duì)，未必能用好。
二極管是一種基本的電子元器件，具有單向?qū)щ娦?。它由一個(gè)PN結(jié)組成，其中一個(gè)極為正極，另一個(gè)極為負(fù)極。
二極管電路的應(yīng)用非常廣泛，包括整流、開關(guān)、限幅、保護(hù)、發(fā)光、繼流和檢波等?？梢哉f是電路系統(tǒng)中最重要的基本元件之一。
二極管最重要的伏安特性曲線
比如說大家都知道接口部分一般都需要ESD保護(hù)，其實(shí)TVS瞬變電壓抑制二級(jí)管用作ESD保護(hù)就極為講究，對(duì)于USB3.0, HDMI接口等高速器件，要特別關(guān)注TVS管上的結(jié)電容參數(shù)，一般根據(jù)信號(hào)速率選取幾個(gè)pf，如果電容值過大，電路將無法正常工作，但是對(duì)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?yàn)楦阋?，控制BOM的成本也是硬件工程師的重要職責(zé)，數(shù)據(jù)手冊(cè)中結(jié)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(zhuǎn)換成直流電壓電路中，也常常用來做穩(wěn)壓電路，限幅電路，續(xù)流電路，挑幾個(gè)常見且重要的電流來分析一下。
圖1 TVS管中結(jié)電容的參數(shù)情況
二極管的作用就如同是一個(gè)電流的單向門。當(dāng)二極管的陽極相對(duì)于陰極為正電壓時(shí)，二極管允許電流通過，而當(dāng)極性相反后，二極管不允許電流通過。
圖2 二極管符號(hào)及種類
1. 二極管作用的類比水流模擬
課本中經(jīng)常將電壓比作水壓來模擬，同樣二極管的功能也可以類似水流來模擬。二極管相對(duì)電流就像是一個(gè)單向閥門，比如下圖的正向偏置時(shí)，只要偏置電壓超過閾值電壓，閥門就會(huì)打開，水流可以順利流下來；對(duì)于反向偏置時(shí)，閥門無法打開，沒有水流流過。
圖3 二極管的類比以及IV曲線
以上，右圖是二極管最為重要的IV曲線，基本上用到所有的二極管都需要重點(diǎn)看此圖，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額定值，否則會(huì)損壞。
2. 整流二極管
利用二極管單向?qū)щ娦裕梢园逊较蚪惶孀兓慕涣麟娮儞Q成單一方向的脈動(dòng)直流電。
3. 續(xù)流二極管
在開關(guān)電源的電感中和繼電器等感性負(fù)載中起續(xù)流作用，這個(gè)功能非常實(shí)用。
在圖5中，開關(guān)A和開關(guān)B分別利用PFET和NFET開關(guān)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成一個(gè)同步降壓調(diào)節(jié)器?！巴健币辉~表示將一個(gè)FET用作低端開關(guān)。用肖特基二極管代替低端開關(guān)的降壓調(diào)節(jié)器稱為“異步”（或非同步）型。處理低功率時(shí)，同步降壓調(diào)節(jié)器更有效，因?yàn)?FET 的壓降低于肖特基二極管，主要由Rds(on)決定。然而，當(dāng)電感電流達(dá)到0時(shí)，如果底部FET未釋放，同步轉(zhuǎn)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(fù)雜性和成本。肖特基二極管可以用作續(xù)流二極管，肖特基的PN結(jié)比較特殊，這使它具有非常小的結(jié)電容，存儲(chǔ)電荷很少，因此這種結(jié)具有非常快的開關(guān)速度，可以用于高速嵌位。肖特基二極管特長是：開關(guān)速度非常快，反向恢復(fù)時(shí)間特別短。因此，能制作開關(guān)二極管低壓大電流整流二極管。
圖5 降壓穩(wěn)壓器BUCK電路中肖特基二極管的使用
圖6中，開關(guān)A和B已分別使用內(nèi)部NFET和外部肖特基二極管，從而形成異步升壓調(diào)節(jié)器。對(duì)于需要負(fù)載隔離和低關(guān)斷電流的低功耗應(yīng)用，可添加外部FET。
圖6 升壓調(diào)節(jié)器BOOST電路中肖特基二極管的使用
順便提一下，整流MOS管開通，關(guān)斷所產(chǎn)生的紋波是主要噪聲源之一。開關(guān)管開通關(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：
1.用合適的濾波器濾除。
2.在MOS管外加肖特基二極管，反向恢復(fù)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
二極管電路總結(jié)：
整流：二極管可以用于將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。將一個(gè)二極管連接到一個(gè)交流電源上時(shí)，它只允許電流從一個(gè)方向流過，即只允許電流從正極流向負(fù)極。這種整流效應(yīng)可以用于將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源。
檢波：二極管也可以用于檢測交流信號(hào)中的直流成分。將一個(gè)二極管連接到一個(gè)交流信號(hào)上時(shí)，它會(huì)將信號(hào)中的直流成分轉(zhuǎn)換為一個(gè)與信號(hào)頻率成正比的電壓。這種檢波效應(yīng)可以用于收音機(jī)和電視機(jī)等電子設(shè)備中。
穩(wěn)壓：二極管可以用于穩(wěn)定電壓。將一個(gè)二極管連接到一個(gè)電路中時(shí)，它可以防止電路中的電壓波動(dòng)。例如，可以使用一個(gè)二極管作為電壓穩(wěn)定器，以穩(wěn)定電路中的電壓。
信號(hào)處理：二極管可以用于處理信號(hào)。例如，可以使用一個(gè)二極管來將一個(gè)信號(hào)的正半周轉(zhuǎn)換為一個(gè)負(fù)半周，或者將一個(gè)信號(hào)的高頻成分轉(zhuǎn)換為低頻成分。
二極管電路的設(shè)計(jì)需要考慮二極管的特性和參數(shù)，例如正向電壓、反向電壓、電流和功率等。此外，還需要考慮二極管的類型和封裝形式，以及電路中的其他元器件和電路設(shè)計(jì)。