【基础电子元件】二极管如果把电路想象成一套水管系统电流就像水流电压就像水压那么二极管就是管道里的一个“单向阀”。水从一个方向来它打开水想反着流它关上。二极管最核心的作用允许电流主要沿一个方向通过阻止反方向电流通过。二极管看起来只是一个很小的器件但它在整流、防反接、续流、钳位、稳压、信号检测、ESD 保护等场景中非常常见。很多电路能不能稳定可靠工作往往就藏在这颗小小的二极管里。​##文章目录【基础电子元件】二极管​##一、什么是二极管1.1 为什么二极管能单向导通?1.2 正向导通二、分类2.1 普通整流二极管2.2 快恢复二极管2.3 肖特基二极管2.4 稳压二极管2.5 TVS 二极管2.6 发光二极管 LED三、参数3.1 正向平均整流电流Io3.2 反向耐压Vrrm3.3 反向漏电流IR3.4 反向恢复时间Trr3.5 结电容Ct(寄生电容)3.6 IFSM(正向峰值浪涌电流)3.7 最大功耗PD 与 热阻RθJA四、常见的应用4.1 整流4.2 防反接4.3 稳压4.4 钳位4.5 续流五、降额设计5.1 电压降额5.2 电流降额5.3 功耗降额5.4 温度降额六、选二极管四步法一、什么是二极管英文叫Diode是一个具有两个引脚的半导体器件。它的两个引脚分别叫阳极 Anode简称 A阴极 Cathode简称 K在电路符号中二极管通常画成这样实物中有一个横线的是阴极。箭头方向可以粗略理解为“允许电流流动的方向”。也就是说在常规电流方向下电流更容易从阳极 A 流向阴极 K。1.1 为什么二极管能单向导通?二极管内部通常由PN 结构成。这里先不详细介绍PN结。可以简单理解为P 区空穴较多N 区电子较多P 区和 N 区接触后会形成一个特殊区域叫PN 结。PN 结就像一道“电子闸门”。当外部电压方向正确时这道闸门会被推开电流可以通过当外部电压方向相反时这道闸门会被关得更紧电流几乎无法通过。1.2 正向导通当二极管阳极电压高于阴极电压并且高到一定程度时二极管就会导通。这个电压叫做正向导通压降常用符号是VF。常见二极管的正向压降大致为类型正向压降典型值硅二极管约 0.6V ~ 0.7V肖特基二极管约 0.2V ~ 0.5V发光二极管 LED约 1.8V ~ 3.3V和颜色有关可以把二极管理解成一扇带弹簧的门你推得太轻门打不开推力超过一定值门就打开门打开后电流就可以通过。这个“推开门需要的力”对应的就是二极管的正向导通压降。二、分类二极管家族很庞大不同类型的二极管就像不同功能的工具。下面介绍硬件设计中常见的几类。2.1 普通整流二极管普通整流二极管主要用于把交流电变成直流电或者用于一般的单向导通场景。典型应用电源整流、防反接、简单续流、极性保护常见型号1N4001 ~ 1N4007普通整流二极管的特点是耐压较高、电流能力较强、速度一般、正向压降约 0.7V 左右2.2 快恢复二极管特点是反向恢复时间较短。二极管刚刚还在正向导通突然让它反向截止时它不是瞬间关门而是需要一点点时间把“门”关严。这个时间越短二极管越适合高频开关电路。典型应用开关电源、高频整流、电机驱动、逆变电路可以把普通二极管比作一扇老式木门关门需要一点时间快恢复二极管就像带闭门器的轻质门能更快关上。2.3 肖特基二极管也叫 Schottky Diode。它最大的特点是正向压降低降约 0.3V 左右开关速度快反向漏电流相对较大反向耐压通常不如普通二极管高典型应用DC-DC 电源、低压整流、防反接、OR-ing 电源选择、高频开关电路它就像一扇“轻巧的自动门”推开更省力开关更快。2.4 稳压二极管也叫 Zener Diode。普通二极管通常不希望反向击穿因为可能损坏。但稳压二极管恰恰是利用反向击穿特性工作的。当反向电压达到某个特定值时稳压二极管会进入击穿状态并把电压钳在一个相对稳定的范围。典型应用简单稳压、电压基准、过压保护、信号钳位比如一个 5.1V 的稳压二极管可以用来限制某个节点电压不要明显超过 5.1V。可以把稳压二极管理解成“安全泄压阀”2.5 TVS 二极管TVS 是 Transient Voltage Suppressor 的缩写中文通常叫瞬态抑制二极管。它主要用于保护电路免受瞬态高压冲击比如静电 ESD、浪涌 Surge、插拔瞬间尖峰、电机、电感负载产生的尖峰TVS 二极管响应速度很快可以在很短时间内把过高电压钳位住保护后级芯片。典型应用USB 接口保护、CAN、RS485、以太网接口保护、电源输入浪涌保护、按键、连接器 ESD 防护2.6 发光二极管 LEDLED 本质上也是二极管只不过它在正向导通时会发光。不同颜色 LED 的正向压降不同大致范围如下LED 颜色正向压降典型范围红色约 1.8V ~ 2.2V黄色约 2.0V ~ 2.3V绿色约 2.0V ~ 3.2V蓝色约 2.8V ~ 3.3V白色约 2.8V ~ 3.5VLED 使用时通常需要串联限流电阻否则电流过大容易烧毁。三、参数使用常用的1N4148来说明3.1 正向平均整流电流Io长期工作时允许通过的平均正向电流。比如某个二极管标称 Io 150mA意思是在规定散热和温度条件下它可以长期承受约 150mA的正向电流。有的管子还会写 IF (最大整流电流 Forward Continuous Current)如果没有那么IF就和Io等效。一般设计时 主要考虑Io的参数IF只做参考管子使用时不允许超过Io来用。3.2 反向耐压VrrmVRRM 是二极管能承受的最大重复反向峰值电压。什么是重复如果输入是交流信号波峰的那个最大电压。VRM 是二极管能承受的最大 非 重复反向峰值电压。就是二极管反向关断时最多能扛多高的反向电压。VRWM(反向最大工作电压) 电压不超过这个值时二极管不反向导通。VR(反向击穿电压) 也是反向电压到达这个值损坏二极管的电压。3.3 反向漏电流IR二极管反向截止时并不是完全没有电流而是存在很小的漏电流。这个漏电流叫 IR。在普通电源场景下IR 可能不敏感。但在低功耗、电池供电、高阻抗采样、精密测量场景下IR 就可能影响电路表现。比如一个超低功耗设备整机休眠电流只有几微安如果二极管反向漏电流也有几微安那就不能忽略。IR 就像一个关不严的水龙头虽然只是滴水但在长期低功耗系统里也会造成明显损耗。3.4 反向恢复时间Trr当二极管从正向导通切换到反向截止时它需要一定时间才能完全关断。这个时间就是 trr。在低频电路中trr 影响不明显。但在开关电源、高频整流、电机驱动等场景中trr 会影响效率、发热和 EMI。如果频率很高却使用恢复很慢的普通整流二极管就像高速路上装了反应迟钝的闸门车流切换时会堵车、碰撞、发热。3.5 结电容Ct(寄生电容)结电容体现了二极管的频率特性。当频率达到某一程度时容抗急速减小让二极管变成类似短路的状态二极管失去原来的单向导通特性。在高速信号、射频、通信接口中结电容会影响信号质量。例如 USB、HDMI、以太网等高速接口选 TVS 时不能只看钳位电压和 ESD 能力还要关注结电容。结电容太大会把高速信号“拖慢”。3.6 IFSM(正向峰值浪涌电流)二极管正向瞬间允许通过的电流超过则损坏。上图意思是 1us下最大不超过2A1s下最大不超过1A3.7 最大功耗PD 与 热阻RθJA二极管工作时会发热发热大小主要由功耗决定。器件所能承受的最大功耗为PD器件最终温度有多高还跟散热能力有关。热阻 RθJA 可以理解为“热量从芯片内部传到空气中的困难程度”。粗略可以理解为温升≈功耗×热阻。 后续有机会在细讲这里。例如功耗 0.5W热阻 100℃/W则温升约0.5W × 100℃/W 50℃如果环境温度是 50℃器件结温可能达到约 100℃。这还只是粗略估算实际还与 PCB 铜皮面积、风道、封装、周围器件有关。四、常见的应用4.1 整流二极管最经典的应用把交流变成直流。整流后再经过电容滤波可以得到较平稳的直流电。常见整流方式包括半波整流、全波整流、桥式整流4.2 防反接在主回路中串联一个二极管是利用单向导通特性的最简单的防反接方式在低成本方案中常见。但是由于二极管存在的导通压降、以及负载电流大时引起的热损耗等问题存在有更好的防反接措施。4.3 稳压通过一个电阻稳压二极管就能实现最简单的稳压电路。稳压二极管使用与普通二极管有点差异它主要利用反向击穿且可以通过一定电流下二极管不损坏。与普通二极管参数有些差异有新的参数稳压值Vz典型通过电流Izt最小通过电流Izk最大通过电流Izm设计步骤①根据所需稳压值选取VzVz的精度一般很差幅度较大比如目标稳压5V电压稳压管可以选5.1V实际稳压幅度在4.9V~5.3V之间。②考虑功率负载所需的电流不能超过 Izm这个实际电流×稳压电压就是稳压管的功率。负载电流最好在Izt附近。③注意稳压管是有最小电流要求。最小保证1mA的电流经过稳压管以此维持稳压。④计算合适的限流电阻例如此时负载电流最大需要20mA最小0mA。输入电压最大13V最小11V稳压值5.1V稳压管1W最大200mA最小1mA。1R最大值 (11V-5.1V) / 1mA20mA 280Ω电阻如果比这个大就无法提供最大电流稳压管就会失效。2R最小值 (13V-5.1V) / 200mA 39Ω。电阻如果比这个值还小就会导致稳压管击穿。3功率P (Vmax - Vz² /R 根据以上俩式R可取200Ω。P (13V -5.1V)² / 200Ω 0.3W那么功率比这个大 1.5 - 2倍以确保安全。PS其实绝大数多数稳压管在电路中的作用并非用于稳压而是在特殊情况下触发稳压功能这种就属于用在保护的作用。4.4 钳位刚才讲到保护作用这个保护作用就是把信号或者电压限制在某个安全范围。例如对 MCU 的输入引脚可以通过二极管把电压钳位在电源和地附近避免输入电压过高或过低。为啥能钳位因为二极管的导通电压0.3V或者0.7V。如下图当接口出现5V时上面的二极管导通电压被钳位在4V左右。当接口出现-1V时下面的二极管导通电压被钳位在-0.7V左右。TVS 二极管也常用于接口保护当外部出现静电或浪涌时TVS 快速导通把电压钳在安全范围内。4.5 续流在继电器、马达、电磁阀等感性负载中经常会看到一个二极管反向并联在线圈两端。这是因为电感有一个特点不喜欢电流突然变化。详细可以去看我的电感篇章。是的由于电流的突变二极管可以给这个电流提供一个回路释放能量。常见的BUCK降压电路就有一个续流二极管。除了电感需要续流。电容放电也可以加速比如下图当脉冲控制信号进来以后D1截止电流通过R1给Cgs充电此时电阻较大当控制信号为低电平时Cgs通过R2 和R1同时放电R2电阻小放电速度很快。五、降额设计5.1 电压降额二极管的反向耐压 VRRM 要高于实际电路中可能出现的最大反向电压。例如电路中最高反向电压可能达到 24V不建议选 30V 耐压的二极管最好选 40V、60V甚至更高具体看浪涌和环境要求。建议实际反向电压 ≤ 额定反向耐压的 50% ~ 70%。综合成本、尺寸考虑。5.2 电流降额电流不用说了 刚才有提到。建议实际电流 ≤ 正向平均整流电流 50% ~ 70%。综合成本、尺寸考虑。5.3 功耗降额二极管功耗主要来自正向压降和电流。设计时要确认二极管自身功耗是否超标封装是否能散热PCB 铜皮面积是否足够周围是否有高温器件最高环境温度是多少如果温升太高可以考虑换更低 VF 的肖特基二极管换更大封装增加铜皮散热并联或更改拓扑使用 MOS 管理想二极管方案5.4 温度降额二极管参数会随温度变化。常见影响包括温度升高反向漏电流增大温度升高允许功耗下降温度升高器件寿命降低肖特基二极管高温漏电尤其需要关注因此不能只看 25℃ 下的数据。如果产品工作在高温环境比如 60℃、85℃甚至 105℃必须查看数据手册中的降额曲线。六、选二极管四步法①先确认应用场景问自己是整流是防反接是续流是稳压是接口保护是 LED 指示是高速信号保护不同场景决定了二极管类型。②确认电压、电流、功耗、速度重点看最大反向电压 VRRM长期正向电流 IF正向压降 VF最大功耗 PD工作温度范围反向恢复时间 trr结电容 C不要只看一个参数要综合判断。③看数据手册曲线新人容易只看首页参数表但真正有用的信息往往在曲线里建议重点看IF 与 VF 曲线反向漏电流与温度曲线允许功耗降额曲线浪涌电流曲线热阻参数说明推荐焊盘和 PCB 散热条件④留足余量不要让器件天天跑在极限状态。通常各项参数预留 30%以上的余量。​内容很多一般人看不完看到这里的你不一般实在太棒了请继续加油~