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二极管关键参数和选型

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张小明

前端开发工程师

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二极管关键参数和选型

参考文献:

二极管关键参数与应用-CSDN博客

关键参数

额定正向工作电流

二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热,温度上升,温度超过容许限度(硅管为140左右,锗管为90左右)时,就会使管芯过热而损坏。所以,二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。例如,常用的IN4001-4007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。

例如在反激电源中,输出一般电压比输入低,由于能量守恒,输出电流就更高,所以变压器副边线径一般更粗,且副边整流二极管的额定电流要达到输出电流的要求;

最高反向工作电压

也即反向耐压。加在二极管两端的反向电压高到一定值时,会将管子击穿,失去单向导电能力。为了保证使用安全,规定了最高反向工作电压值。例如,IN4001二极管反向耐压为50V,IN4007反向耐压为1000V。

在反激电源中,副边整流二极管在原边MOS管导通的时候,承受着输出电压加上原边电压反射电压大小的反向耐压:Vout+Vinmax/n,n为匝数比;

在实际电路中,二极管承受的电压远高于上述理论值。这是因为在二极管关断瞬间(原边开关管开通瞬间)会产生高频振荡尖峰。

反向电流(反向漏电流)

反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下,流过二极管的反向电流(有点反向漏电流的感觉)。反向电流越小,管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系(所以设计时要考虑裕量),大约温度每升高10,反向电流增大一倍。

例如2AP1型锗二极管,在25时反向电流若为250uA,温度升高到35,反向电流将上升到 500uA,依此类推,在75时,它的反向电流已达8mA,不仅失去了单方向导电特性,还会使管子过热而损坏。又如,2CP10型硅二极管,25时反向电流仅为5uA,温度升高到75时,反向电流也不过160uA。故硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。

管压降

硅二极管(不发光类型)正向管压降0.7V,锗管正向管压降为0.3V,发光二极管正向管压降为随不同发光颜色而不同。

红色发光二极管的压降为2.0--2.2V,黄色发光二极管的压降为1.8—2.0V,绿色发光二极管的压降为3.0—3.2V,正常发光时的额定电流约为20mA。 贴片二极管电流一般在3-8mA,压降1.7至1.8V左右。

反向恢复时间

开关损耗增加、电压尖峰和EMI、器件可靠性问题

在高频设计中必须选用肖特基或者快恢复二极管

从二极管正向电流过零开始,到反向恢复电流衰减到规定小值(通常为反向峰值电流的 10% 或 25%)所经历的时间。

反向恢复现象的本质:外部电压突然反向时,需要先清除存储的少数载流子

Q_rr:反向恢复电荷量

不同二极管反向恢复时间的区别

反向恢复时间受哪些因素影响

器件结构

正向电流大小

di/dt(换向速度)

温度

二极管有哪些种类

功率整流

应用场景:AC/DC变换、DC/DC变换、防反接、续流。核心关注点:正向压降 (V_F) 和 反向恢复时间 (t_{rr})。

普通整流二极管

(General Purpose Rectifier)

代表型号:1N400x系列 (如1N4007), 1N5408。

特点:工艺成熟,PN结结构。

优点

  • 耐压高:轻松做到1000V甚至更高。

  • 便宜:价格极其低廉。

  • 抗冲击能力强:耐浪涌电流能力较好。

缺点

  • 极慢:反向恢复时间 (t_{rr}) 很长(通常 > 1µs)。

  • 高频损耗大绝对不能用于高频开关电源的整流(如反激副边),否则会瞬间发热烧毁。

快恢复/超快恢复二极管

(FRD / Ultra-Fast Recovery)

代表型号:FR107, HER系列, UF4007, MUR系列 (如MUR460), ES1J。

特点:在PN结中掺杂金或铂,减少少数载流子寿命。

优点

  • 速度快t_{rr} 通常在 35ns ~ 500ns 之间,适合高频开关电路。

  • 耐压适中:覆盖 200V ~ 1000V。

缺点

  • 正向压降 (V_F) 较高通常在 0.8V ~ 1.2V 左右,导通损耗比普通二极管大。

  • 反向恢复主要为“硬恢复”:关断时容易产生EMI振荡(这也是为什么需要加RC吸收电路的原因)。

硬恢复是指在正向电流不为0的时候,电压就突然反向。

肖特基二极管

(Schottky Barrier Diode, SBD)

代表型号:1N5819, SS34, SR560, MBR系列。

特点金属-半导体(不是PN结),多数载流子导电。

优点

  • 极低压降:V_F 通常在 0.2V ~ 0.5V,效率极高。

  • 零反向恢复时间:理论上无 t_{rr}(只有结电容效应),开关损耗极小。

缺点

  • 漏电流大反向漏电流 (I_R) 甚至可达mA级,且随温度升高指数级增加,容易热失控。

  • 耐压低:传统硅基肖特基耐压通常 < 200V(高压需用SiC肖特基)。

电压调节与保护

应用场景:稳压、过压保护、静电防护。

齐纳二极管 / 稳压二极管

(Zener Diode)

工作原理:利用PN结的反向击穿状态(齐纳击穿或雪崩击穿)。

优点

  • 电路简单,一颗元件即可实现基准电压。

  • 电压范围广(2V ~ 200V都有)。

缺点

  • 功率小:通常不能吸收大浪涌能量。

  • 噪声大:雪崩击穿时伴随噪声。

  • 精度一般:受温度影响较大(但在5.6V左右温度系数最好)。

TVS 二极管 (瞬态抑制二极管)

工作原理:雪崩效应,类似稳压管,但设计用于瞬间吸收巨大能量。

优点

  • 响应极快:ps (皮秒) 级响应,瞬间钳位电压。

  • 吸收功率大:能承受几百瓦到几千瓦的瞬时脉冲(防雷、防ESD)。

缺点

  • 结电容大:普通TVS不能用于高速信号线(如USB3.0),需要用专用低容TVS。

  • 也是有寿命的:长期反复承受大能量冲击性能会退化。

信号与开关

应用场景:逻辑电路、小电流整流、检波。

小信号开关二极管

代表型号1N4148(被称为“万能二极管”)。

优点

  • 速度极快:t_{rr} ≈ 4ns。

  • 结电容极小:适合高频信号处理。

  • 极其便宜

缺点

  • 电流小:通常 I_F < 300mA,不能用于功率电路。

典型的电路应用

整流电路-反激

输入端一般直接选芯片,选型依据是耐压和额定电流;

副边的一般是肖特基,选型依据是反向耐压和额定电流;

续流与钳位

(Freewheeling & Clamping)

续流二极管:配合电感/继电器使用,消除反向电动势(Buck电路、继电器驱动)。

RCD 钳位:在反激电源原边吸收漏感尖峰。

二极管的封装

封装的核心意义

在选型时,封装不仅仅代表元件的尺寸(Size),它在工程上直接决定了三个核心指标:

  1. 电流承载能力:封装越大,内部晶圆(Die)越大,引脚越粗,允许流过的电流越大。

  2. 散热能力(P_D):二极管是发热大户(P_{loss} = I_{load} times V_F)。封装决定了热阻 (R_{theta JA}),即热量散发出去的快慢。

  3. PCB空间与装配:决定了是需要打孔(插件)还是直接贴装(SMD),以及占用板子的面积。

贴片封装 (SMD)

SMA / SMB / SMC

外形一模一样(矩形黑色塑料),只是体积依次变大。

A<B<C

选型经验

  • 如果计算电流为1.5A,虽然 SMB (2A) 勉强够,但建议选SMC (3A/5A)

  • 理由:SMC体积大,散热铜片面积大,温升更低,可靠性更高。

小信号封装SOD

SOD-123 / SOD-323:体积极小。

  • 应用:1N4148W(开关信号)、稳压管、MOS管栅极保护。

  • 限制:电流通常 < 300mA,功率 < 0.4W。

功率贴片 (Power SMD)

当电流> 5A时,普通的 SMC 封装散热已不足,需要使用带底部散热焊盘 (Thermal Pad)的封装。

  • TO-252 (D-PAK):剪了腿的 TO-220 缩小版。电流 5A~15A。

  • TO-263 (D2-PAK):剪了腿的 TO-220 原大版。电流 10A~30A。

  • 注意:这两种封装必须在 PCB 上铺足够面积的铜皮来散热,必要时需打过孔到背面散热。

插件封装 (THT) —散热高压

轴向引线

适用场景:需要外加散热片、高压输入端、抗震动要求不高的大电源。

  • DO-35 / DO-41:细玻璃管或小黑管。对应 1N4148 (DO-35) 或 1N4007 (DO-41)。电流1A

  • DO-15:比 DO-41 稍粗。对应 FR207。电流1.5A ~ 2A

  • DO-201AD (DO-27):很粗的圆柱体。对应 SR560, 1N5408。电流3A ~ 5A

大功率三极管外形

长得像三极管/MOS管,但实际是二极管。

TO-220AC / TO-220AB:最经典。

AC:两脚,单管。

AB:三脚,内部是两只二极管共阴极(对管)。

能力:配合散热片,轻松处理10A ~ 40A电流。

TO-247:巨型封装,用于千瓦级电源,电流 40A+。

反激电源中二极管封装选型

副边整流二极管

反激电源中电流最大、发热最严重的地方;

以72w的电源为例,24V×3A

电压和电流应力

定封装

要处理的功耗大约是:P ≈ 3A × 0.8V = 2.4W(如果是快恢复则是 3W+)。2.4W 的热量,靠小贴片是散不出去的。

RCD

RCD 二极管推荐优先使用插件 FR107。如果空间受限必须用贴片 RS1M,务必注意焊盘间距需 >3mm 或开槽处理,并注意与发热电阻的热隔离。

既然电流小(RCD二极管平均电流通常不到 0.5A),热量也不大,为什么在很多电源(尤其是几十瓦到几百瓦的适配器)里,RCD 二极管FR107 还是要用 DO-41 的插件封装,而不直接用 RS1M (SMA) 贴片呢?

其实,这里主要不是为了“散热”,而是为了“安规距离”、“PCB走线”以及“被邻居连累”。

二极管截止时,承受电压 ≈ V_{IN_MAX} + V_{OR}

这里二极管处理的电流小,主要是耐压;

耐压:

  • 对于 220V 输入,最高直流约 375V,反射约 100V,合计 475V。

  • 选型:必须选1000V耐压的管子(600V 的太边缘,容易挂)。

速度:

  • 太慢(如 1N4007):在高频下损耗巨大,会发烫炸机。

  • 太快(如 US1M):有时候会让 EMI 变差(振荡太剧烈)。

  • 折中推荐FR系列(快恢复)是最经典的。

电流:

虽然平均电流很小,但它流过的是脉冲尖峰电流,通常选1A即可。

贴片和插件之间的抉择

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