齊納二極管的特性簡介及設(shè)計案例

齊納二極管（Zener diode）又叫穩(wěn)壓二極管，也是一種特殊用途二極管，但由于齊納二極管的是如此之重要，內(nèi)容又比較多，所以這里單獨拉出來作為一個小節(jié)講。其電路符號如下圖所示：

圖 1-8.01?

1.?? 特性簡介

在前面1-2節(jié)介紹反向擊穿的時候，已經(jīng)講過齊納擊穿的原理，當二極管反向齊納擊穿時，電流會急劇變化，而電壓幾乎保持不變。如下圖所示：

圖 1-8.02?

齊納二極管可以工作在反向齊納擊穿區(qū)域而不造成永久損壞，半導(dǎo)體制造廠商通過精細地控制摻雜濃度來設(shè)置反向擊穿電壓。一般齊納二極管的反向擊穿電壓從1.8V~200V不等，額定功率從1/4W~50W不等。

雖然齊納二極管又被稱為“穩(wěn)壓二極管”，但是齊納二極管的反向擊穿伏安曲線并不是理想的垂直線，而是有一個輕微的傾斜，所以，它既沒有集成穩(wěn)壓器（如7805）那么平穩(wěn)的波動抑制能力，也不能在大負載電流變化時使用。齊納二極管只能在小電流應(yīng)用且對精度要求不高的情況下，作為一種低成本的穩(wěn)壓手段使用。其典型穩(wěn)壓應(yīng)用電路如下圖所示：

圖 1-8.03?

當輸入電壓正常時，齊納二極管VZ 截止，不影響系統(tǒng)正常供電。當輸入電壓突然過高時，齊納二極管V Z 導(dǎo)通，此時流過齊納二極管的電流急劇增加，增加的電流使電阻R承擔更多的壓降，從而使得系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定在齊納電壓值附近。下面的二極管D是用來防止輸入電壓接反的。上圖只是比較簡單的用法，當齊納二極管和晶體管或運放等器件組合使用時，可以構(gòu)建出比較好的穩(wěn)壓器，這個后面我們以后分析專用電路的時候再講。

2.?? 齊納性能參數(shù)

齊納二極管在正偏時，各性能參數(shù)基本同普通二極管，但在反偏時，比普通二極管多了很多描述參數(shù)。下面我們以摩托羅拉公司（飛思卡爾的前身）生產(chǎn)的的齊納二極管的datasheet為例，來解讀齊納性能參數(shù)。

點此鏈接閱讀和下載數(shù)據(jù)規(guī)格書。

（1） 產(chǎn)品特點

圖 1-8.04?

上圖中我用紅色標注了幾個重點：

● 此規(guī)格書涵蓋了從1N5333B~1N5388B的幾十種齊納二極管的數(shù)據(jù)參數(shù)，穩(wěn)壓范圍從3.3V~220V不等，所有型號的額定功率都是5W。

● 這個系列的所有齊納二極管可以承受瞬間（8.3毫秒）的浪涌功率，其最大可承受功率達到180W。

（2） 性能參數(shù)

所有性能參數(shù)都在規(guī)格書第2~3頁的表格中予以列出，這里我們僅以第一行的1N5333B為例進行解讀。

圖 1-8.05?

為了方便理解，我在每一個參數(shù)上都標了一個序號，我們將以這個序號為順序，逐條解釋每個參數(shù)的含義。在解讀參數(shù)時，還需要同時對照下圖，才能理解各個參數(shù)的含義。

圖 1-8.06?

① 首先是IZM（齊納最大電流），這是齊納二級管能承受的最大反偏電流，當反偏電流大于這個值時，齊納二極管可能會永久損壞。

② IZT（齊納測試電流），T（test）的意思是測試，一般制造廠商會選取IZM的約1/4處作為測試電流。

③ VZ（齊納電壓），這個就是最重要的指標：齊納電壓（Zener voltage）。從曲線上來看，齊納擊穿區(qū)域是有一個范圍的，但制造商為方便起見，一般會將齊納電壓VZ定義為在測試電流IZT時的電壓。根據(jù)后面的Note 1的說明，這個值一般會有5%的誤差。

④ IZK（齊納拐點電流），K（knee）的意思是拐點，一般認為，從K點開始進入齊納擊穿區(qū)域，其實在到達K點時，反偏電流已經(jīng)比較大了，只不過在K點后電流開始急劇增大。（數(shù)據(jù)規(guī)格書中將IZK定為1mA）。

⑤ & ⑥ VR與IR（反偏安全電壓、反偏漏電流），當反偏電壓小于VR時，反偏漏電流IR會維持一個很小的值（微安級）。注意IR與IZK在數(shù)量級上的差別。

⑦ ZZT（在IZT時的動態(tài)電阻），規(guī)格書中把動態(tài)電阻稱為齊納阻抗（Zener impedance）。在T點處的伏安曲線的斜率非常陡峭，所以此動態(tài)電阻的值比較小，在表格中我們可以看到僅為3Ω。

⑧ ZZK（拐點動態(tài)電阻），這是在拐點K處的斜率，比T點處要平緩得多，所以此處動態(tài)電阻比較大，表格中為400Ω。

⑨ ir（最大浪涌電流），這是齊納二極管能承受的瞬間浪涌電流，表格中的數(shù)值高達20A。

⑩ ΔVZ（穩(wěn)壓范圍），這個在后面的Note 4解釋了，為在IZM的10%處和IZM的50%處測得的2個齊納電壓的差值。

3.?? 設(shè)計案例

現(xiàn)在我們來看如何根據(jù)上面的參數(shù)來選型和設(shè)計齊納二極管電路：

案例1-8-1：已知負載RL=1kΩ，vi正常供電電壓為12V，RL的額定工作電壓要求為12V，且最低至10V時也能工作，現(xiàn)設(shè)計穩(wěn)壓電路如下圖所示。問題：（1）應(yīng)該選擇什么型號的齊納二極管？（2）電阻R的取值應(yīng)為多大？（3）這個電路可接受的供電電壓vi波動范圍最大為多少？

解：（1）對于12V的穩(wěn)壓要求，我們查數(shù)據(jù)手冊，可選型1N5349B的齊納二極管。其齊納電流范圍為： IZK=1mA，IZM=395mA。

（2）在vi較小時，齊納二極管DZ截止（可視為斷路），電阻R會對RL產(chǎn)生分壓作用，由于vi=12V，且VRL最小要求為10V，則電阻R最大為：

（3）當vi升高時，VRL也會升高，當VRL大于12V時，齊納二級管DZ會導(dǎo)通，以使VRL穩(wěn)定在12V左右。前面我們已查手冊知，1N5349B可允許的最大電流IZM=395mA，此時電阻R上的電流為DZ與RL中電流的總和：

此時電路的總電壓為：

因此，這個電路最大能接受供電電壓vi上升到93.4V，而輸出電壓穩(wěn)定在12V左右。但因為齊納阻抗的影響，輸出會在12V上下略有波動。

vi的能接受的最小輸入電壓為12V，如果再小，由于電阻R的分壓作用，負載RL上的電壓就會低于10V，而導(dǎo)致系統(tǒng)停止工作。