對于Boost應用中的二極管選擇的分析和介紹

上一期的微信稿，我寫了全新的升壓 IC RT4812的各種保護功能，其中的重點是輸出短路保護和啟動過程中的限流功能，這些都是過去的器件所沒有的。全新功能的加入，常常意味著新的應用的誕生，對于工程師來講，設計上就有了更多的可能性，在選擇上就有了更多的自由。

對于我來說，新東西的出現(xiàn)總是讓我喜悅，但也絕不會忘記舊的。所謂的記不住，實際只是不需要或是不想記住，一旦有了新的線索，舊的記憶會被提取出來，甚至可能愈發(fā)顯得清晰。

我在進入電源管理領域的早期的記憶都是關于Boost的。RT9261，這是立锜最早的Boost產(chǎn)品，非常簡單，只有3只引腳，它最輝煌的應用是傳呼機，然后是低端的數(shù)碼相機。RT9262/A，這是相對比較復雜一點的產(chǎn)品，兩個型號分別是Boost與LDO和電壓檢測器的結(jié)合，實際應用中使用最多的是RT9262A，開始的時候主要在數(shù)碼相機和MP3播放器上使用，后來我和遠在鎮(zhèn)江的宏圖合作把它用進了便攜式DVD，然后全天下的便攜式DVD都采用了相同的電路設計。RT9266是RT9262之后的產(chǎn)品，簡單的SOT-23-6的封裝，曾經(jīng)風靡MP3市場和數(shù)碼相機市場若干年。使用RT9266最多的單一產(chǎn)品是位于東莞的一家客戶為日本公司生產(chǎn)的數(shù)碼相機，每臺機子使用6片RT9266，升壓、降壓、升降壓和正負電壓的輸出全由一種器件搞定，生產(chǎn)高峰的時候，每天用量達到36k。日本企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量要求高，即便是上百萬臺機子中出現(xiàn)了一片RT9266的損壞，立锜也要做出嚴格的分析，找出問題的改善之策，我想這種嚴格要求對立锜的品管改善和FAE能力的提升一定是幫助巨大的，只是我不了解其中的細節(jié)罷了。

上面的這些記憶都是關于便攜式應用產(chǎn)品的，立锜后來的Boost產(chǎn)品大量出現(xiàn)在液晶顯示屏的應用中，那就是屬于大尺寸的應用了。

關于Boost，應用中最難的是PCB設計。稍有不慎，不良的元件布局和走線就會在最終的產(chǎn)品中形成嚴重的效率問題和EMI問題，燒IC那更是分分鐘的事情。所以，我在給客戶介紹設計方案時總是要去談如何布局、如何走線的問題，元件的選擇也是重點。

我人生中遇到的第一個Boost應用問題就是關于元件選擇的。

如上圖，開關SW接通的階段是電感L的儲能過程 ，其電流以線性增加；開關斷開的時候，電感儲能已升至最高處，為，從這個公式就可以看出來，電感中的能量是與其電流大小密切相關的，反過來，我們可以說這電流就是其能量的表現(xiàn)形式。開關的斷開使得電流原來流通的路徑被切斷，可是電流又不能突變（因為能量不能突變，如果這一變化發(fā)生了，變化的部分就會以光速向外輻射，這就是電磁波了），于是電感上就會生出與電流方向相同的電壓，這個電壓與輸入電壓VIN加在一起形成的開關節(jié)點的電壓VLX將高于輸出電壓VOUT加上二極管D的正向?qū)妷菏苟O管正向?qū)?，于是電感電流得以繼續(xù)流動并經(jīng)二極管流向輸出電容和負載。

在上述的過程中，二極管導通的速度必須是極快的，它的動作最好就是要和開關的關斷過程同步，這樣就可以讓電流以不著痕跡的形式從一個路徑切換到另外一個路徑上。但在實際上，理想的開關二極管并不存在，不同的二極管因其制作材料、工藝的不同而有不同的特性，能夠在DC/DC應用中使用的開關二極管應當具備開關速度快、導通電壓低的特性，低壓系統(tǒng)中常常選擇的是肖特基二極管。

百度百科中是這樣來介紹肖特基二極管的：肖特基二極管是以其發(fā)明人肖特基博士（Schottky）命名的，SBD是肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier Diode）的簡稱。SBD不是利用P型半導體與N型半導體接觸形成PN結(jié)原理制作的，而是利用金屬與半導體接觸形成的金屬－半導體結(jié)原理制作的。因此，SBD也稱為金屬－半導體（接觸）二極管或表面勢壘二極管，它是一種熱載流子二極管。它屬于一種低功耗、超高速半導體器件。最顯著的特點為反向恢復時間極短（可以小到幾納秒），正向?qū)▔航祪H0.4V左右。多用作高頻、低壓、大電流整流二極管、續(xù)流二極管、保護二極管，也有用在微波通信等電路中作整流二極管、小信號檢波二極管使用。在通信電源、變頻器等中比較常見。

我第一次接觸Boost應用問題的時候還是2001年，那時候我還在一家立锜的代理商那里工作，當時遇到的問題發(fā)生在一臺數(shù)碼相機上。2001年的時候，數(shù)碼相機還是相當熱門的應用，國內(nèi)能夠見到的還很少，也很昂貴，但美國人民已經(jīng)用上了，我在深圳南山服務的一家公司的總裁是個美國人，因為工作和學習的關系，我倆各自介紹我們的女兒成為了朋友，在他發(fā)給我的郵件中就有他女兒的數(shù)碼照片，是一個帶著牙箍的漂亮女孩。對方能夠給我數(shù)碼照片而我卻不能，這件事在當時還讓我難受了好一陣。

那時候的深圳制作的數(shù)碼相機一般是30萬像素的，一般使用兩節(jié)堿性電池作為電源，而系統(tǒng)的控制部分需要3.3V的電源供應，所以需要Boost電路將低于3V的電池電壓提升至3.3V供系統(tǒng)使用，那時候最好的Boost器件就是RT9262，它一出現(xiàn)問題就被我給遇上了。當時看到的表現(xiàn)是輸入電流很大，但負載電流卻很小，芯片還發(fā)熱，這說明有很多的能量都被芯片給消耗掉了，但沒有經(jīng)驗的我自然是不知道如何處理的，所以就和立锜在***的工程師電話連線，在簡單測量并了解了LX端的波形以后，他問我使用了什么型號的二極管，我在檢查以后看到是1N400x系列的器件，馬上告訴他，他就告訴我這二極管用錯了，應該使用肖特基二極管，那就是1N5819啰，這是那時候最常見的型號。換了二極管以后，問題當然就消失了，而我也在聽到二極管用錯了的一瞬間明白了很多的道理。

1N400x系列的二極管是常用的整流二極管，最大平均正向電流為1A，能承受幾十A的脈沖電流，反向漏電流只有幾個微安，非常強壯，但它們的極電容很大，正向?qū)妷阂埠艽?，當把它們用?a target="_blank">DC/DC的應用中時，它們的開關速度完全趕不上電流切換速度的要求，電感上電流就找不到出路，過高的反激電壓就會被激發(fā)出來將相對脆弱的IC內(nèi)部的MOSFET開關擊穿，從而造成能量被白白浪費掉的問題。

DC/DC在使用中因元件選用不當或設計不當造成內(nèi)部開關擊穿的案例非常多，像我第一次遇到的這種狀況是最容易處理的，只要把元件換成合適的類型就好了，實際中可能遇到的狀況總是千差萬別的，要把這些都總結(jié)出來其實還真不容易，但每一次的探討都是有意義的，這可以深化我們對這個物理世界的認識，使我們慢慢地成長。

你想知道IC內(nèi)部的開關被損壞以后長成什么樣嗎？我在寫作的時候突然想到了這個問題。通常來說，我不喜歡把現(xiàn)場支持中遇到的問題發(fā)回總部去尋求幫助，因為幾乎大部分的問題都和IC的設計無關，設計、生產(chǎn)過程中的問題常常是問題出現(xiàn)的根源，這些問題大多可以通過現(xiàn)場的工作得到解決。但在我的職場生涯中還是要時不時地把某些問題發(fā)回總部去處理，這樣就有了一些問題報告的積累，下面的幾幅圖形就來自其中的一份報告，它們是關于立锜的一款LED驅(qū)動器的，型號是RT9284B，這已經(jīng)是很老的器件了，它曾經(jīng)在手機市場上立下了汗馬功勞。

先看一下原理圖，這樣好建立一點初步的認識：

下面的就是損傷后的照片了：

這是芯片的封裝被去除以后的照片，圖中左側(cè)那個不規(guī)則的橢圓形的黑點就是內(nèi)部開關被強電擊穿以后形成的，它跨接在LX和地之間。

這是另外一種形象的損傷，面積比較大，位置在右側(cè)的中上部，在電路中屬于接地一側(cè)。

這幅圖中的損傷點很小，在中間的紅色點處，要被放大以后才看得清，相應地，它所導致的漏電流也比較小，你注意到了嗎？圖片中標注了這一數(shù)據(jù)：1.7μA。

在電路圖上，這些損傷發(fā)生在哪里呢？下圖做出了指示，問題就發(fā)生在其中的紅圈處。

輕微的損傷導致的漏電流小，如果不進行仔細的測試，甚至可能不會被發(fā)現(xiàn)，但已經(jīng)發(fā)生了的問題卻不會自動消失，它們只會在未來的日子里慢慢惡化，最終導致問題的不可收拾，而這已可以理解為可靠性問題了。