電子元件

發布日期：2024-12-16 19:32 瀏覽次數：

內容包括瞬態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時間，肖特基二極管在開關電源與反向保護中的應用。持續更新，原創不易！

一、瞬態抑制二極管

1、工作原理

2、如何區分TVS管單向和雙向

1）看型號 2）看規格書 3）用萬用表測 4）通過自身標記

3、單/雙向使用上的不同點

4、選用TVS的步驟

5、TVS管的應用

1）TVS管與ESD保護管 2）靜電放電防護

二、肖特基二極管

1、概述

2、肖特基二極管的主要優缺點

1）反向恢復時間短 2）正向穩態導通壓降低 3）缺點 4）總結

3、使用注意事項

4、肖特基管的應用

1）在開關電源中應用

2）反向電壓保護

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系統的電子元件知識移步:CSDN的“愛上電路設計”。

一、瞬態抑制二極管

1、工作原理

TVS二極管與常見的穩壓二極管的工作原理相似，如果高于標志上的擊穿電壓，TVS二極管就會導通。與穩壓二極管相比，TVS二極管有更高的電流導通能力。TVS二極管的兩極受到反向瞬態高能量沖擊時，以10^(-12)S量級速度，將其兩極間的高阻抗變為低阻抗，同時吸收高達數千瓦的浪涌功率。使兩極間的電壓箝位于一個安全值，有效地保護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、保護系統免受ESD/Surge損害的固態元件。一般用于被保護系統的前級，保護電壓略高于被保護系統的額定電壓。

2、如何區分TVS管單向和雙向

1）看型號

單從型號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)

倒數第二個字母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(Prisemi)

末尾字母U表示單向

B表示雙向

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

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

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2）看規格書

一般在第一頁就有。

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3）用萬用表測

測量二極管的檔位，單向1邊通，雙向2邊都有電壓；測直流，雙向對稱，單向只有反向是雪崩擊穿特性，一般1mA電流下測量。

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4）通過自身標記

所有TVS管放大后會有根陰極線，它是用來區分二極管正負極，與單雙向無關。

3、單/雙向使用上的不同點

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管的特性與穩壓二極管相似，雙向TVS管的特性相當于兩個穩壓二極管反向串聯；

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數據線上全部采用雙向；

5）電流曲線不同。單向TVS管的電路符號與普通的穩壓管相同，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結雪崩器件。雙向二極管正反向都是典型的PN結雪崩器件。具體的選型還是需要專業工程師指導，經過參數領域分析后針對性選型比較安全。

4、選用TVS的步驟

1）確定待保護電路的直流電壓或持續工作電壓。如果是交流電，應計算出最大值，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,如果步驟1所規定的電壓高于TVS的VRWM ,TVS將吸收大量的漏電流而處于雪崩擊穿狀態，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,根據干擾脈沖的波形、脈沖持續時間,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）應低于被保護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雙向脈沖的場合。TVS有時也用于減少電容。如果電路只有正向電平信號，那么單向TVS就足夠了。TVS操作方式如下：正向浪涌時,TVS處于反向雪崩擊穿狀態；反向浪涌時，TVS類似正向偏置二極管一樣導通并吸收浪涌能量。在低電容電路里情況就不是這樣了。應選用雙向TVS以保護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管的應用

1）TVS管與ESD保護管

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

TVS二極管和ESD二極管相比較，兩者的原理一樣，但是根據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，因為TVS的電容值比較高。

它們的應用場合也不同，TVS一般用于初級和次級的保護，而ESD主要用于板級的保護，選擇TVS時一般看器件的封裝還有功率。ESD器件一般看中ESD防護等級和ICE6100-4-2的水平。

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2）靜電放電防護

防止過壓損壞的最佳保護措施是用非線性電路進行限壓或鉗位，最常用的是專門的二極管(比如TVS管)，當它們在前向偏置或處于齊納擊穿區時具有很低的阻抗。引入限壓器可以快速引起某些別的事件，因為通過電容放電會有大的浪涌電流經過限壓器。

雖然消除了高瞬態電壓，但代之以幾個安培的浪涌電流可能會導致系統中出現其它問題。具體取決于隨后路徑的總阻抗，浪涌電流可以達到幾個安培。在為芯片設計I/O單元時，經常看到4A～16A的浪涌電流進入器件。處理如此巨大的瞬態浪涌電流已經成為ESD設計中的大問題。限制電壓還算比較容易，但形成的電流可能使系統中其它地方的電路和地發生逆轉。

被限壓器強制導入地的電流將在系統的那個節點中產生感應性振鈴現象。電源通常沿著地線傳播，并且是電源去耦電容的函數，因此系統核心仍能正常工作。不過連到電路板上的控制線可能出現混亂，因為它們是相對板外的地而建立的。結果可能在某個位置發生ESD事件，并致使電路板上的某個輸入端看起來出現故障。

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，表現為連接電感的一個函數。

在許多情況下，在TVS器件之前增加一些串聯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

當普通二極管施加反向電壓時，它有很大的反向電流。下面以1N4004來說，其反向恢復時間為2uS，在這2uS時間內就產生了反向恢復電流。

如果給1N4004正向外加50HZ脈沖，如下圖。

電子元件(圖10)

當給1N4004正向施加25MHZ的脈沖時，其負向電流已經不能忽略，如下圖。

這時二極管正反方向都有電流產生，已經不能體現其單向導電性，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，肖特基博士發明了肖特基(Schottky)二極管。

肖特基二極管也有反向恢復時間，可以縮短到10nS以內，如下圖所示。

肖特基二極管又稱肖特基勢壘二極管(簡稱SBD)，它屬一種低功耗、超高速半導體器件，多用作高頻、低壓的整流二極管(如圖2.4.2)、續流二極管(如圖2.4.1)、保護二極管等。但是在使用過程中會發現，其極易損壞。如何避免損壞，也是產品設計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缺點

1）反向恢復時間短

反向恢復時間是指二極管由流過正向電流的導通狀態切換到不導通狀態需要的時間。由于肖特基半導體導通時只有多數載流子，沒有少數載流子，所以理論上并沒有反向恢復時間，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）正向穩態導通壓降低

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

最主要缺點是反向漏電流大，其依賴于反向電壓和結點溫度，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增加，最大漏電流與生產工藝有關。反向漏電流低的BAT54HT1：

圖2.1.2 BAT54HT1電氣參數

反向漏電流與溫度密切相關：

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

圖2.1.5 PMEG4002EB溫度特性

圖2.1.6 PMEG4002EB溫度掃描分析

溫度對肖特基影響舉例說明：

一個雙控電源的項目，用到雙肖特基BAT54C，在PWR_EN2為低的情況下，系統運行一段時間后，突然掉電。查了半天發現A點電壓只有0.5V不到，無法讓Q43導通。

分析后發現BAT54C反向導通把A點電位拉低了，查看規格書漏電IR很低(2uA)，最后更換為1N4148解決。

事實上，反向漏電流跟溫度關系密切，BAT54C在溫度四五十度的時候，漏電流就很可觀了，在于工作電流相差不大的情況下，導致“反向導通”的假象。

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4）總結

SIC二極管的開關速度幾乎為零，等于是沒有反向恢復時間，開關輻射最小，并且損耗也最小，缺點就是價格昂貴。

3、使用注意事項

1）肖特基的實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，因為VF值會隨耐壓增加而增加，從而功耗和成本都會相應增加；

電子元件(圖23)

3）肖特基的實際工作溫升值，要小于肖特基的最高結溫，并留有余量，保證其工作的穩定性；

4）不同型號的肖特基，正向壓降所規定的IF(AV)也不一樣，需要注意，IF(AV)測試溫度各廠家有不同的測試標準。

5）肖特基不建議并聯使用

由半導體物理理論可以導出，在靜態條件下，二極管的電流與電壓的非線性關系為：

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結的溫度電壓當量，在室溫條件下VT=26mV。

假設一般肖特基二極管導通壓降為0.4V，并聯二極管由于制造工藝和其他因素，造成正向導通壓降存在0.1%的誤差，則兩只肖特基二極管正向導通壓降分別為0.4V和0.401V，此時假設IS僅為2uA，則由(1)式得出：

由計算結果可知，肖特基二極管并聯無法實現均流，考慮到肖特基二極管最主要缺點是反向漏電流，漏電流隨溫度和反向電壓的增加而增加，IS會指數級增大。同時由于肖特基二極管的負溫度系數會導致正反饋，最終會使一個肖特基重載，一個肖特基輕載。若設計不合理，會導致重載的肖特基溫度過高，從而容易引發系統失效。

備注：所謂的不建議肖特基并聯使用是指在單個肖特基不能滿足系統需要的情況下，不能使用兩個同種規格的肖特基并聯，若系統在僅僅使用一個肖特基時就已經滿足需要，此時再并聯一個同樣規格的肖特基效果自然更好。

比如，輸入12V/輸出5V/2.4A時，使用一個SMA封裝的SS54不能滿足要求(封裝太小、溫度太高、長時間工作容易失效，規格書)；使用兩個SMA封裝的SS54并聯，就可能會出現上述不良情況。這種情況下，使用一個SMC封裝的SS54的可以滿足要求。而對于使用一個SMC的SS54已經能夠滿足要求的條件下，若再并聯一個SMC封裝的SS54，效果肯定優于一個SMC封裝的SS54。

4、肖特基管的應用

1）在開關電源中應用

①導通壓降低。電源電流一般比較大，導通壓降低意味著損失的功耗低。

②響應時間短。開關電源通過開關管切換，速度多在40～100KHz，故肖特基二極管響應時間應越快越好。