電路設(shè)計(jì)中二極管選型的考慮要素有哪些

二極管在我們電路板中是最常見的元器件之一，那么，在選型的時(shí)候，有考慮因素呢？

1正向?qū)▔航?/p>

壓降：二極管的電流流過(guò)負(fù)載以后相對(duì)于同一參考點(diǎn)的電勢(shì)（電位）變化稱為電壓降，簡(jiǎn)稱壓降。

導(dǎo)通壓降：二極管開始導(dǎo)通時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓。

正向特性：在二極管外加正向電壓時(shí)，在正向特性的起始部分，正向電壓很小，不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的阻擋作用，正向電流幾乎為零。當(dāng)正向電壓大到足以克服PN結(jié)電場(chǎng)時(shí)，二極管正向?qū)?，電流隨電壓增大而迅速上升。

反向特性：外加反向電壓不超過(guò)一定范圍時(shí)，通過(guò)二極管的電流是少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)所形成反向電流。由于反向電流很小，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。反向電壓增大到一定程度后，二極管反向擊穿。

正向?qū)▔航蹬c導(dǎo)通電流的關(guān)系

在二極管兩端加正向偏置電壓時(shí)，其內(nèi)部電場(chǎng)區(qū)域變窄，可以有較大的正向擴(kuò)散電流通過(guò)PN結(jié)。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值(這一數(shù)值稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V)以后，二極管才能真正導(dǎo)通。但二極管的導(dǎo)通壓降是恒定不變的嗎?它與正向擴(kuò)散電流又存在什么樣的關(guān)系?通過(guò)下圖1的測(cè)試電路在常溫下對(duì)型號(hào)為SM360A的二極管進(jìn)行導(dǎo)通電流與導(dǎo)通壓降的關(guān)系測(cè)試，可得到如圖2所示的曲線關(guān)系：正向?qū)▔航蹬c導(dǎo)通電流成正比，其浮動(dòng)壓差為0.2V。從輕載導(dǎo)通電流到額定導(dǎo)通電流的壓差雖僅為0.2V，但對(duì)于功率二極管來(lái)說(shuō)它不僅影響效率也影響二極管的溫升，所以在價(jià)格條件允許下，盡量選擇導(dǎo)通壓降小、額定工作電流較實(shí)際電流高一倍的二極管。

圖1二極管導(dǎo)通壓降測(cè)試電路

圖2導(dǎo)通壓降與導(dǎo)通電流關(guān)系

在我們開發(fā)產(chǎn)品的過(guò)程中，高低溫環(huán)境對(duì)電子元器件的影響才是產(chǎn)品穩(wěn)定工作的最大障礙。環(huán)境溫度對(duì)絕大部分電子元器件的影響無(wú)疑是巨大的，二極管當(dāng)然也不例外，在高低溫環(huán)境下通過(guò)對(duì)SM360A的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表1與圖3的關(guān)系曲線可知道：二極管的導(dǎo)通壓降與環(huán)境溫度成反比。在環(huán)境溫度為-45℃時(shí)雖導(dǎo)通壓降最大，卻不影響二極管的穩(wěn)定性，但在環(huán)境溫度為75℃時(shí)，外殼溫度卻已超過(guò)了數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的125℃，則該二極管在75℃時(shí)就必須降額使用。這也是為什么開關(guān)電源在某一個(gè)高溫點(diǎn)需要降額使用的因素之一。

表1導(dǎo)通壓降與導(dǎo)通電流測(cè)試數(shù)據(jù)

圖3導(dǎo)通壓降與環(huán)境溫度關(guān)系曲線

2額定電流、最大正向電流IF

額定電流IF指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，根據(jù)運(yùn)行溫升折算出來(lái)的平均電流值。目前最大功率整流二極管的IF值可達(dá)1000A。

是指二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過(guò)的最大正向平均電流值，其值與PN結(jié)面積及外部散熱條件等有關(guān)。因?yàn)殡娏魍ㄟ^(guò)管子時(shí)會(huì)使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過(guò)容許限度（硅管為141左右，鍺管為90左右）時(shí)，就會(huì)使管芯過(guò)熱而損壞。所以在規(guī)定散熱條件下，二極管使用中不要超過(guò)二極管最大整流電流值。例如，常用的IN4001－4007型鍺二極管的額定正向工作電流為1A。

3最大平均整流電流Io

最大平均整流電流IO：在半波整流電路中，流過(guò)負(fù)載電阻的平均整流電流的最大值。折算設(shè)計(jì)時(shí)非常重要的值。

4最大浪涌電流IFSM

運(yùn)行流過(guò)的過(guò)量的正向電流。不是正常的電流，而是瞬間電流，這個(gè)值相當(dāng)大。

5最大反向峰值電壓VRM

即使沒有反向電流，只要不斷地提高反向電壓，遲早會(huì)使二極管損壞。這種能加上的反向電壓，不是瞬時(shí)電壓，而是反復(fù)加上的正反向電壓。因給整流器加的是交流電壓，它的最大值是規(guī)定的重要因子。最大反向峰值電壓VRM指為避免擊穿所能加的最大反向電壓。目前最高的VRM值可達(dá)幾千伏。

6最大反向電壓VR

上述最大反向峰值電壓是反復(fù)加上的峰值電壓，VR是連續(xù)加直流電壓的值。用于直流電流，最大直流反向電壓對(duì)于確定允許值和上限值是很重要的。

7最高工作頻率fM

由于PN結(jié)的結(jié)電容存在，當(dāng)工作頻率超過(guò)某一值時(shí)，它的單向?qū)щ娦詫⒆儾?。點(diǎn)接觸式二極管的fM值較高，在100MHz以上；整流二極管的fM較低，一般不高于幾千Hz。

8反向恢復(fù)時(shí)間Trr

當(dāng)正向工作電壓從正向電壓變成反向電壓時(shí)，二極管工作的理想情況是電流能瞬時(shí)截止。實(shí)際上，一般要延遲一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間。決定電流截止延時(shí)的量，就是反向恢復(fù)時(shí)間。

9最大功率P

二極管中有電流流過(guò)，就會(huì)吸熱，而使自身溫度升高。最大功率P為功率的最大值。具體講就是加載二極管兩端的電壓乘以流過(guò)的電流。這個(gè)極限參數(shù)對(duì)穩(wěn)壓二極管，可變電阻二極管顯得特別重要。

10反向飽和漏電流IR

指在二極管兩端加入反向電壓時(shí)，流過(guò)二極管的電流，該電流與半導(dǎo)體材料和溫度有關(guān)。在常溫下，硅管的IR為nA（10-9A）級(jí)，鍺管的IR為mA（10-6A）級(jí)

11降額（結(jié)溫降額）

降額可以提高產(chǎn)品可靠性，延長(zhǎng)使用壽命，根據(jù)溫度降低10℃壽命增加一倍的理論，下面列出了不同額定結(jié)溫的管子最小降額結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)。

表1 二極管降額

12安規(guī)

在選型階段應(yīng)該考慮到器件是否通過(guò)了安規(guī)認(rèn)證，主要應(yīng)該考慮功率器件。一般為各國(guó)廣泛接受的安規(guī)認(rèn)證類型有UL（北美）、CSA（加拿大）、TUV（德國(guó)）、VDE等

13可靠性設(shè)計(jì)

正確選用器件及器件周邊的線路設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)等來(lái)控制器件在整機(jī)中的工作條件，防止各種不適當(dāng)?shù)膽?yīng)力或者操作給器件帶來(lái)?yè)p傷，從而最大限度地發(fā)揮器件的固有可靠性。

14容差設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)單板時(shí)，應(yīng)放寬器件的參數(shù)允許變化的范圍（包括制造容差、溫度漂移、時(shí)間漂移），以保證器件的參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，單板能正常工作。

15禁止選用封裝

禁止選用軸向插裝的二極管封裝、禁止選用Open-junction二極管。

O/J是OPEN JUNCTION的晶圓擴(kuò)散工藝，在晶圓擴(kuò)散后切片成晶粒，晶粒的邊緣是粗糙的，電性能不穩(wěn)定，需要用混合酸（主要成分為氫氟酸）洗掉邊緣，然后包以硅膠并封裝成型，可信賴性較差。

GPP是Glassivation passivation parts的縮寫，是玻璃鈍化類器件的統(tǒng)稱，該產(chǎn)品就是在現(xiàn)有產(chǎn)品普通硅整流擴(kuò)散片的基礎(chǔ)上對(duì)擬分割的管芯P/N結(jié)面四周燒制一層玻璃，玻璃與單晶硅有很好的結(jié)合特性，使P/N結(jié)獲得最佳的保護(hù)，免受外界環(huán)境的侵?jǐn)_，提高器件的穩(wěn)定性，可信賴性極佳。

O/J的散熱性沒有GPP的好，兩者本質(zhì)結(jié)構(gòu)截然不同:O/J芯片需要經(jīng)過(guò)酸洗后加銅片焊接配合硅膠封裝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)上顯得比GPP的大；GPP芯片造的整流橋免去了酸洗、上硅膠等步驟，直接與整流橋的銅連接片焊接。內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯的比O/J芯片制造而成的小。才造成直觀的、習(xí)慣性的誤解。

GPP芯片和OJ芯片的綜合評(píng)價(jià)：

1、GPP芯片在wafer階段即完成玻璃鈍化，并可實(shí)施VR的probe testing，而OJ芯片只有在制得成品后測(cè)試VR。

2、VRM為1000V的GPP芯片，通常從P+面開槽和進(jìn)行玻璃鈍化，臺(tái)面呈負(fù)斜角結(jié)構(gòu)(表面電場(chǎng)強(qiáng)度高于體內(nèi))，而OJ芯片的切割不存在斜角。

3、GPP芯片的玻璃鈍化分布在pn結(jié)部分區(qū)域(不像GPRC芯片對(duì)整個(gè)斷面實(shí)施玻璃鈍化，而OJ芯片對(duì)整個(gè)斷面施加硅橡膠保護(hù)。

4、GPP芯片由于機(jī)械切割的原因留下切割損傷層，而OJ芯片的切割損傷層可經(jīng)化學(xué)腐蝕去除掉。

5、GPP芯片采用特殊高溫熔融無(wú)機(jī)玻璃膜鈍化，Tjm及HTIR穩(wěn)定性高于用有機(jī)硅橡膠保護(hù)的OJ制品。

6、GPP芯片適合小型化、薄型化、LLP封裝，而OJ芯片適合引出線封裝。

在制作工藝上的區(qū)別：

（1）OJ的芯片必須經(jīng)過(guò)焊接、酸洗、鈍化、上白膠、成型固化烘烤等步驟,其電性（反向電壓）與封裝酸洗工藝密切相關(guān)，常規(guī)封裝形式為插件式。

（2）而GPP在芯片片制造工藝中已包含酸洗、鈍化。其電性由芯片片直接決定，常見封狀形式為貼片式。

審核編輯：郭婷