原创 硬件工程师必会电路之二极管应用上

            二极管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：

1. 用合适的滤波器滤除。


2. 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