關(guān)于二極管的性能分析和介紹

有個網(wǎng)友發(fā)信息給我，說他在5V輸出轉(zhuǎn)換器的輸出端并聯(lián)的二極管有損壞的狀況，請我給些建議。他的電路是這樣的：

這個圖的左面是DC/DC轉(zhuǎn)換器，因為不是立锜的產(chǎn)品，我們又要談問題，為了避嫌，我就不讓它露面了。

實際中損壞的二極管就是圖中的D8，按照型號查閱的資料表明這是一款擊穿電壓為5.6V的齊納二極管，也就是我們常說的穩(wěn)壓二極管。

朋友之所以會用上這個管子，是因為擔(dān)心穩(wěn)壓器輸出的電壓太高，可能損壞遠端連接的負載，現(xiàn)在負載沒有壞，這個管子倒是先壞了，讓他很著急，因為產(chǎn)品馬上要批量生產(chǎn)了。

在正常情況下，穩(wěn)壓器的輸出電壓總是會按照設(shè)定去輸出的，所以，我覺得這個朋友是有些多慮了，這個二極管是沒有必要加的。非正常狀況下，輸出電壓確實是有可能會高于設(shè)定的輸出電壓的，這個時候就需要在系統(tǒng)中考慮過壓保護的問題，但是這卻不是靠著這只二極管可以實現(xiàn)的，它只會在高壓下自動地損壞掉，不會帶來持續(xù)的保護作用。

這只穩(wěn)壓二極管為什么會損壞呢？這其實是由齊納二極管的特性決定的，你不能在沒有任何限流措施的情況下給它加電壓，這很可能導(dǎo)致過高的電流流過它，管子因為過多的熱量積累而不堪重負，最好只好落得燒毀的下場。

為什么過高的電壓會形成大電流呢？看看下圖就明白了：

齊納二極管表現(xiàn)出反向壓降UZ的時候，流過它的電流是很小的。以該設(shè)計中所選的型號3SMAJ5919B來看，它的5.6V電壓出現(xiàn)在電流IZ= 66.9mA的時候（見下圖中的數(shù)據(jù)IZT，為測試電流）。

如果該器件的穩(wěn)壓特性非常好，外加電壓只需超過5.6V一點點，流過它的電流就可以達到甚至超過IZM（這表示器件的動態(tài)電阻很小，穩(wěn)壓精度高。以上表所列數(shù)據(jù)250?來計算，要達到534mA的最大電流，其外加電壓只需再增加（534 - 66.9）/250 = 1.8684mV即可），而這個電流就是該二極管能夠承受的最大電流，再大的電流它就不能承受了，這個數(shù)據(jù)實際上和器件的功率耗散能力直接相關(guān)，所以你能看到不同穩(wěn)壓值的二極管的這個電流值是不一樣的（上圖中的IZM）。

DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是由什么決定的呢？如果它的工作條件是良好的，負載也沒有超出其能力，它的輸出電壓就是由其自身決定的。這個二極管在這里也就是它的負載，當(dāng)流過二極管的電流還不夠大的時候，電壓完全由轉(zhuǎn)換器本身確定，所以二極管不會起到穩(wěn)壓的作用。當(dāng)電壓提高到使二極管的電流足夠大時，二極管的擊穿電壓將轉(zhuǎn)換器的輸出電壓鉗制住，二者處于平衡狀態(tài)，但這種平衡將很快被打破，二極管將因過熱而燒毀短路，輸出電壓被拉到很低的狀態(tài)，轉(zhuǎn)換器的負載電流超過其負載能力，如果它被設(shè)計得很完善，這時候就會發(fā)生兩種保護——過流保護和欠壓保護，如果它被設(shè)計得不完善，轉(zhuǎn)換器自身的安危就成了問題。

上面說了這個型號的齊納二極管的穩(wěn)壓值是5.6V，但實際上這只是這個參數(shù)的典型值。實際中的齊納二極管的擊穿電壓（也就是前述的穩(wěn)壓值）分布范圍是很寬的，它們不能像集成電路那樣被設(shè)定成很精確的數(shù)據(jù)，這是由制造工藝決定的。這個客戶遇到的那些損壞了的狀況，如果能夠排除電路中實際出現(xiàn)的高壓，通常就是那些擊穿電壓分布在低區(qū)的那部分，它們又恰好遇到了穩(wěn)壓器輸出電壓較高的那部分（這也是有一定的分布特性的），兩者的結(jié)合造成了最后的損壞結(jié)果。關(guān)于兩者的分布特性以及它們的重疊情況，可參考下圖，我因沒有實際的數(shù)據(jù)，所以用正態(tài)分布的曲線來代替現(xiàn)實，而正態(tài)分布在實際上的可能性為最大。

有時利用某個參數(shù)的分布特性去理解現(xiàn)實是很有用的，我曾用這樣的數(shù)據(jù)解決過很重要的客訴問題，幫助客戶找出了設(shè)計中的缺陷。對于立锜的產(chǎn)品來說，規(guī)格書中所列出來的所有數(shù)據(jù)都會有詳細的生產(chǎn)測試記錄，這些數(shù)據(jù)幫了我的大忙。如果某一天你在使用立锜產(chǎn)品中出現(xiàn)了這樣的問題，你是可以在此方面尋求立锜的幫助的。

當(dāng)我們能通過這些思考找到二極管損壞的原因的時候，能夠馬上做出的決定自然就是不要安裝它了，而這也就是我給那位朋友的建議。

但是這位朋友的擔(dān)憂有沒有被解除呢？我認(rèn)為是沒有。

有的轉(zhuǎn)換器在設(shè)計中會特別設(shè)計輸出過壓保護功能，但這并不常見，因為一款普通的轉(zhuǎn)換器沒有必要去考慮這個問題，這樣做會把設(shè)計復(fù)雜化，過壓保護功能總是獨立于正常的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)而存在并對轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進行控制。這個朋友的設(shè)計并沒有選用立锜的產(chǎn)品，所以我也不了解他所用的器件是否有這方面的考慮，但即便有，這種保護也是不完善的，因為需要保護的是負載，而轉(zhuǎn)換器的輸出到負載之間還有長長的傳輸線，它與負載的結(jié)合也有可能在負載端造成高電壓，所以施加保護的位置應(yīng)該是在負載那一側(cè)。

我們常用的手機就是常見的長線傳輸供電的例子，5V電源適配器的輸出經(jīng)過至少幾十厘米的充電線后接入手機，這個端口上就常常出現(xiàn)高壓，它們通常是由傳輸線的自感和手機輸入端的電容在電流的沖擊下共同形成的高頻振鈴信號。如果手機體積很大，我們可以在手機的輸入端增加一個等效串聯(lián)內(nèi)阻比較大的電解電容來消解它，但可惜這是不現(xiàn)實的。采用RC串聯(lián)電路也能起到消解的作用，但會形成一定的功耗。比較常見的做法是采用高耐壓的電源IC去抵擋輸入端的高電壓，下面提供一些示例。

上圖所示電路就是一款非常簡單的充電IC RT9527的應(yīng)用電路圖，它的VIN端的電壓最高可以到28V而不會損壞，但它的實際推薦工作電壓范圍只是4.4V-6V，當(dāng)輸入電壓高于6.5V（典型值）的時候，過壓保護OVP就發(fā)生了，輸入的高壓不可能到達其輸出端。

上圖是目前很熱門的手機直充功能必然會用到的IC RT9750，它能以8mΩ的接通電阻將輸入端的電壓直接導(dǎo)入電池為電池充電，充電電流可高達6A，它的工作電壓范圍為3V-6V。它也可以實現(xiàn)輸入過壓保護，但其過壓保護的閾值是可以通過軟件進行調(diào)節(jié)的，可調(diào)范圍介于4.2V-6V之間，所有高于過壓保護閾值的輸入電壓都會被禁止進入系統(tǒng)，它的輸入端即使見到22V的電壓也不會損壞。這顆IC還有很多專門針對充電應(yīng)用所必須的功能，這里不詳述了。

上面提到的這些解決方案都是針對電池的，其實非電池的負載一樣有可供選擇的過壓保護解決方案，下面略取二例。

RT9746，耐壓28V的過壓過流保護開關(guān)，最大電流負載能力為4.5A，過壓保護閾值有6.2V、6.8V、11.5V、14.5V等幾檔可選，也可以自行設(shè)定其過壓保護點。雖然上述原理圖的輸出端畫的是Charger，但那實際上是作為負載來使用的，你可以任意換成其他負載，由于它們沒有機會見到高于RT9746過壓保護閾值的電壓，因而可以使用低耐壓器件。

RT1720，這可是個強大的東東，我曾經(jīng)專門寫文章介紹過它，5V-80V的工作電壓范圍，輸出電壓最高60V可調(diào)，只要輸入電壓低于設(shè)定的最高輸出電壓，從輸入到輸出的路徑就是暢通無阻的，過高的輸入出現(xiàn)時則對輸出電壓進行調(diào)節(jié)，使之不高于應(yīng)用的需要。即使輸入電壓在-60V - +90V范圍內(nèi)變化，負載也絕無因此損壞的可能，它自己也會很安全。