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。
41.jpg1136x562 89.5 KB 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：用合适的滤波器滤除。
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
硬件工程师必会电路之二极管应用下1. 续流二极管的另一种用法
另外一般也主要利用续流二极管用作抑制瞬态。当流经一个电感器件的电流被突然关断时，根据电磁理论，突然消失的磁场将会在电感线圈上产生一个高电压脉冲，这个高电压脉冲瞬态幅值或许可以达到几千伏，这对系统来说是灾难，并且尤其在继电器线圈中更为常见。此时，工程上常见的做法是用一个续流二极管并联在继电器线圈的两端，以便给高压脉冲提供一个短路通道来保护系统，通过续流二极管的泄放通道保护继电器，器件选取上，需要具有足够的功率。
图1 续流二极管的作用
上图右侧是续流二极管一个更为实用的例证，通过继电器旁边的二极管保护继电器，放在晶体管旁边的续流二极管则是保护晶体管，避免晶体管在关断时继电器因为磁场感应而被损坏。
2.二极管用作ESD保护（击穿特性）
ESD保护有很多备选器件，通常会采用压敏电阻和瞬态二极管。也就是我们常说的VDR和TVS。这个更多的是一些对外的接口用得多，是选便宜点得压敏电阻还是瞬态二极管，这个需要好好了解下各自的性能。对于同样选择压敏电阻，是抑制瞬态的多还是周期性大信号的多，也是有所不同的。这里多说一点，作开发和作产品最大的不同，就是产品对于空间和成本的要求了，尤其对于追求极致的移动设备。或许，可以慢慢认为ESD的保护可以看作是续流二极管用作抑制瞬态的一种变种用法，作为硬件工程师，多多思考往往可以把知识串起来，也很有趣。
图2 VARISTOR的特性曲线以及作用
USB中由于接口是可热插拔的，所以比较容易因为不可避免的人为因素导致静电损坏器件，比如挂机hang，烧板等，如果cpu的ESD保护比较弱，那么大概率会损坏CPU，实际调试中碰到过类似状况，所以使用USB接口的电路需要加入ESD保护器件，如下图所示，同时不要忽略电源pin上也要有ESD保护器件，并且从成本考虑信号上ESD与电源上ESD一般不是一个型号，大家可以考虑原因。
图3 USB的ESD保护
一般来说，电源线上一般采用工作电压略高于5V的，电容一般为几十甚至100多的压敏电阻连到屏蔽线上。而差分线上因为速率高达480Mbps，此时需要电容很小的ESD器件，才能满足。原因时，较大的电容能使数据信号波形劣化，甚至导致位错误。因此需要电容低的器件，可以通过波形来看电容大小对波形的影响。
图4 不同的电容值对USB信号影响
3.开关二极管
二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。
图5 二极管构成开关电路
如果有兴趣，大家可以了解一下PIN二极管，这种二极管主要用作射频和微波的开关。在射频电路中，开关是极为讲究的，需要专门的技术的技术来减少信号的衰减，即使暂时用不到，有时间研究一下也乐在其中。
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来源：面包板博客
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