電子元件-TVS與肖特基二極管
內(nèi)容包括瞬態(tài)抑制二極管與肖特基二極管的一般介紹，詳述普通二極管與肖特基二極管的恢復(fù)時間，肖特基二極管在開關(guān)電源與反向保護中的應(yīng)用。持續(xù)更新，原創(chuàng)不易！
目錄：
一、瞬態(tài)抑制二極管
1、工作原理
2、如何區(qū)分TVS管單向和雙向
1）看型號 ? 2）看規(guī)格書 ? 3）用萬用表測 ? 4）通過自身標記
3、單/雙向使用上的不同點
4、選用TVS的步驟
5、TVS管的應(yīng)用
1）TVS管與ESD保護管 ? 2）靜電放電防護
二、肖特基二極管
1、概述
2、肖特基二極管的主要優(yōu)缺點
1）反向恢復(fù)時間短 ? 2）正向穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通壓降低 ? 3）缺點 ? 4）總結(jié)
3、使用注意事項
4、肖特基管的應(yīng)用
1）在開關(guān)電源中應(yīng)用
2）反向電壓保護
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系統(tǒng)的電子元件知識移步:CSDN的“愛上電路設(shè)計”。
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一、瞬態(tài)抑制二極管
1、工作原理
TVS二極管與常見的穩(wěn)壓二極管的工作原理相似，如果高于標志上的擊穿電壓，TVS二極管就會導(dǎo)通。與穩(wěn)壓二極管相比，TVS二極管有更高的電流導(dǎo)通能力。TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，以10^(-12)S量級速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，同時吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率。使兩極間的電壓箝位于一個安全值，有效地保護電子線路中的精密元器件免受浪涌脈沖的破壞。
用于吸收ESD能量、保護系統(tǒng)免受ESD/Surge損害的固態(tài)元件。一般用于被保護系統(tǒng)的前級，保護電壓略高于被保護系統(tǒng)的額定電壓。
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2、如何區(qū)分TVS管單向和雙向
1）看型號
單從型號表面我們就可以判斷，雖然不同品牌命名方式不同，但都有規(guī)律：
品牌
單向
雙向
東沃電子(DOWO)
電壓值后不帶“C”
帶“C”
安森美(ON)
封裝除B以外的字母都表示單向
B表示雙向
恩智浦(NXP)
倒數(shù)第二個字母U表示單向
B表示雙向
韋爾(WILL)
B表示雙向
其他字母表示單向
芯導(dǎo)(Prisemi)
末尾字母U表示單向
B表示雙向
Risym雙向TVS瞬態(tài)電壓抑制二極管P6KE15CA/DO-15，功率600W；P4KE15CA/DO-15，功率400W。
SMAJ后面的參數(shù)表示抑制電壓，比如SMAJ5.0A就是5V單向瞬態(tài)電壓抑制二極管，如果是SMAJ5.0CA就是5V雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管。
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2）看規(guī)格書
一般在第一頁就有。
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3）用萬用表測
測量二極管的檔位，單向1邊通，雙向2邊都有電壓；測直流，雙向?qū)ΨQ，單向只有反向是雪崩擊穿特性，一般1mA電流下測量。
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4）通過自身標記
所有TVS管放大后會有根陰極線，它是用來區(qū)分二極管正負極，與單雙向無關(guān)。
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3、單/雙向使用上的不同點
1）單向用在直流，雙向用在交流；
2）TVS管有單向與雙向之分，單向TVS管的特性與穩(wěn)壓二極管相似，雙向TVS管的特性相當于兩個穩(wěn)壓二極管反向串聯(lián)；
3）極間電容Cj，單向的比雙向的大。以LRC的為例，單向的電容C有65pF，雙向的只有15pF；
4）USB數(shù)據(jù)線上全部采用雙向；
5）電流曲線不同。單向TVS管的電路符號與普通的穩(wěn)壓管相同，其電壓-電流特性曲線如下圖所示，其正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。雙向二極管正反向都是典型的PN結(jié)雪崩器件。具體的選型還是需要專業(yè)工程師指導(dǎo)，經(jīng)過參數(shù)領(lǐng)域分析后針對性選型比較安全。
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4、選用TVS的步驟
1）確定待保護電路的直流電壓或持續(xù)工作電壓。如果是交流電，應(yīng)計算出最大值，即有效值的1.414倍。
2）TVS的反向變位電壓即工作電壓（VRWM）----選擇TVS的VRWM等于或大于上述步驟1所規(guī)定的操作電壓。這就保證了在正常工作條件下TVS吸收的電流可忽略不計,如果步驟1所規(guī)定的電壓高于TVS的VRWM ,TVS將吸收大量的漏電流而處于雪崩擊穿狀態(tài)，從而影響電路的工作。
3）最大峰值脈沖功率：確定電路的干擾脈沖情況,根據(jù)干擾脈沖的波形、脈沖持續(xù)時間,確定能夠有效抑制該干擾的TVS峰值脈沖功率。
4）所選TVS的最大箝位電壓（VC）應(yīng)低于被保護電路所允許的最大承受電壓，建議Vbr≥1.2*工作電壓。
5）單極性還是雙極性----雙向TVS用于交流電或來自正負雙向脈沖的場合。TVS有時也用于減少電容。如果電路只有正向電平信號，那么單向TVS就足夠了。TVS操作方式如下：正向浪涌時,TVS處于反向雪崩擊穿狀態(tài)；反向浪涌時，TVS類似正向偏置二極管一樣導(dǎo)通并吸收浪涌能量。在低電容電路里情況就不是這樣了。應(yīng)選用雙向TVS以保護電路中的低電容器件免受反向浪涌的損害。
6）如果知道比較準確的浪涌電流IPP，那么可以利用VC來確定其功率。如果無法確定功率的概范圍，一般來說，選擇功率大一些比較好。
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5、TVS管的應(yīng)用
1）TVS管與ESD保護管
TVS瞬態(tài)電壓抑制，電子器件遭受直接或者是間接的雷擊，靜電放電等因素導(dǎo)致的浪涌，電壓從幾伏到幾千伏不等。ESD靜電放電保護就是對器件靜電的防護。
TVS二極管和ESD二極管相比較，兩者的原理一樣，但是根據(jù)功率和封裝來分就不一樣。ESD主要是用來防靜電，防靜電要求電容值低，一般是在1pF～3.5pF之間最好，但是TVS就做不到這點，因為TVS的電容值比較高。
它們的應(yīng)用場合也不同，TVS一般用于初級和次級的保護，而ESD主要用于板級的保護，選擇TVS時一般看器件的封裝還有功率。ESD器件一般看中ESD防護等級和ICE6100-4-2的水平。
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2）靜電放電防護
防止過壓損壞的最佳保護措施是用非線性電路進行限壓或鉗位，最常用的是專門的二極管(比如TVS管)，當它們在前向偏置或處于齊納擊穿區(qū)時具有很低的阻抗。引入限壓器可以快速引起某些別的事件，因為通過電容放電會有大的浪涌電流經(jīng)過限壓器。
雖然消除了高瞬態(tài)電壓，但代之以幾個安培的浪涌電流可能會導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)其它問題。具體取決于隨后路徑的總阻抗，浪涌電流可以達到幾個安培。在為芯片設(shè)計I/O單元時，經(jīng)?？吹?A～16A的浪涌電流進入器件。處理如此巨大的瞬態(tài)浪涌電流已經(jīng)成為ESD設(shè)計中的大問題。限制電壓還算比較容易，但形成的電流可能使系統(tǒng)中其它地方的電路和地發(fā)生逆轉(zhuǎn)。
被限壓器強制導(dǎo)入地的電流將在系統(tǒng)的那個節(jié)點中產(chǎn)生感應(yīng)性振鈴現(xiàn)象。電源通常沿著地線傳播，并且是電源去耦電容的函數(shù)，因此系統(tǒng)核心仍能正常工作。不過連到電路板上的控制線可能出現(xiàn)混亂，因為它們是相對板外的地而建立的。結(jié)果可能在某個位置發(fā)生ESD事件，并致使電路板上的某個輸入端看起來出現(xiàn)故障。
如上圖，通過限壓器將大的浪涌電流注入到地引起PCB地的反彈，表現(xiàn)為連接電感的一個函數(shù)。
在許多情況下，在TVS器件之前增加一些串聯(lián)電阻有助于限制電流浪涌，并減少地線反彈。
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二、肖特基二極管
1、概述
當普通二極管施加反向電壓時，它有很大的反向電流。下面以1N4004來說，其反向恢復(fù)時間為2uS，在這2uS時間內(nèi)就產(chǎn)生了反向恢復(fù)電流。
如果給1N4004正向外加50HZ脈沖，如下圖。
編輯切換為居中
當給1N4004正向施加25MHZ的脈沖時，其負向電流已經(jīng)不能忽略，如下圖。
這時二極管正反方向都有電流產(chǎn)生，已經(jīng)不能體現(xiàn)其單向?qū)щ娦?，所以在高頻場合普通二極管將無法勝任。為了使二極管工作在高頻場合，肖特基博士發(fā)明了肖特基(Schottky)二極管。
肖特基二極管也有反向恢復(fù)時間，可以縮短到10nS以內(nèi)，如下圖所示。
肖特基二極管又稱肖特基勢壘二極管(簡稱SBD)，它屬一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件，多用作高頻、低壓的整流二極管(如圖2.4.2)、續(xù)流二極管(如圖2.4.1)、保護二極管等。但是在使用過程中會發(fā)現(xiàn)，其極易損壞。如何避免損壞，也是產(chǎn)品設(shè)計過程中必須考慮的問題。
巧記BAT54C、BAT54S、BAT54A：
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2、肖特基二極管的主要優(yōu)缺點
1）反向恢復(fù)時間短
反向恢復(fù)時間是指二極管由流過正向電流的導(dǎo)通狀態(tài)切換到不導(dǎo)通狀態(tài)需要的時間。由于肖特基半導(dǎo)體導(dǎo)通時只有多數(shù)載流子，沒有少數(shù)載流子，所以理論上并沒有反向恢復(fù)時間，使肖特基二極管成為二極管中速度最快的一類。
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2）正向穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通壓降低
肖特基二極管正向壓降非常小，一般為0.2~0.45V，比快恢復(fù)二極管正向壓降低很多，所以自身功耗較小。
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3）缺點
最主要缺點是反向漏電流大，其依賴于反向電壓和結(jié)點溫度，漏電流隨溫度和反向電壓的增加而增加。反向漏電流隨溫度指數(shù)增加，最大漏電流與生產(chǎn)工藝有關(guān)。反向漏電流低的BAT54HT1：
反向漏電流與溫度密切相關(guān)：
反向漏電流極低的PMEG4002EB：
溫度對肖特基影響舉例說明：
一個雙控電源的項目，用到雙肖特基BAT54C，在PWR_EN2為低的情況下，系統(tǒng)運行一段時間后，突然掉電。查了半天發(fā)現(xiàn)A點電壓只有0.5V不到，無法讓Q43導(dǎo)通。
分析后發(fā)現(xiàn)BAT54C反向?qū)ò袮點電位拉低了，查看規(guī)格書漏電IR很低(2uA)，最后更換為1N4148解決。
事實上，反向漏電流跟溫度關(guān)系密切，BAT54C在溫度四五十度的時候，漏電流就很可觀了，在于工作電流相差不大的情況下，導(dǎo)致“反向?qū)ā钡募傧蟆?/p>
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4）總結(jié)
SIC二極管的開關(guān)速度幾乎為零，等于是沒有反向恢復(fù)時間，開關(guān)輻射最小，并且損耗也最小，缺點就是價格昂貴。
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3、使用注意事項
1）肖特基的實際工作電流要小于肖特基的正向額定電流，且不能超過額定電流的60%；
2）肖特基的最高工作電壓要小于肖特基的最高反擊穿電壓，且不能超過額定電壓的70%；但肖特基的耐壓也不能選擇太高，因為VF值會隨耐壓增加而增加，從而功耗和成本都會相應(yīng)增加；
3）肖特基的實際工作溫升值，要小于肖特基的最高結(jié)溫，并留有余量，保證其工作的穩(wěn)定性；
4）不同型號的肖特基，正向壓降所規(guī)定的IF(AV)也不一樣，需要注意，IF(AV)測試溫度各廠家有不同的測試標準。
5）肖特基不建議并聯(lián)使用
由半導(dǎo)體物理理論可以導(dǎo)出，在靜態(tài)條件下，二極管的電流與電壓的非線性關(guān)系為：
式中I為二極管電流，IS為二極管反向飽和電流，IS一般取8~10uA，IS隨溫度升高而增大，V是作用于二極管兩端的電壓，VT為PN結(jié)的溫度電壓當量，在室溫條件下VT=26mV。
假設(shè)一般肖特基二極管導(dǎo)通壓降為0.4V，并聯(lián)二極管由于制造工藝和其他因素，造成正向?qū)▔航荡嬖?.1%的誤差，則兩只肖特基二極管正向?qū)▔航捣謩e為0.4V和0.401V，此時假設(shè)IS僅為2uA，則由(1)式得出：
由計算結(jié)果可知，肖特基二極管并聯(lián)無法實現(xiàn)均流，考慮到肖特基二極管最主要缺點是反向漏電流，漏電流隨溫度和反向電壓的增加而增加，IS會指數(shù)級增大。同時由于肖特基二極管的負溫度系數(shù)會導(dǎo)致正反饋，最終會使一個肖特基重載，一個肖特基輕載。若設(shè)計不合理，會導(dǎo)致重載的肖特基溫度過高，從而容易引發(fā)系統(tǒng)失效。
備注：所謂的不建議肖特基并聯(lián)使用是指在單個肖特基不能滿足系統(tǒng)需要的情況下，不能使用兩個同種規(guī)格的肖特基并聯(lián)，若系統(tǒng)在僅僅使用一個肖特基時就已經(jīng)滿足需要，此時再并聯(lián)一個同樣規(guī)格的肖特基效果自然更好。
比如，輸入12V/輸出5V/2.4A時，使用一個SMA封裝的SS54不能滿足要求(封裝太小、溫度太高、長時間工作容易失效，規(guī)格書)；使用兩個SMA封裝的SS54并聯(lián)，就可能會出現(xiàn)上述不良情況。這種情況下，使用一個SMC封裝的SS54的可以滿足要求。而對于使用一個SMC的SS54已經(jīng)能夠滿足要求的條件下，若再并聯(lián)一個SMC封裝的SS54，效果肯定優(yōu)于一個SMC封裝的SS54。
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4、肖特基管的應(yīng)用
1）在開關(guān)電源中應(yīng)用
①導(dǎo)通壓降低。電源電流一般比較大，導(dǎo)通壓降低意味著損失的功耗低。
②響應(yīng)時間短。開關(guān)電源通過開關(guān)管切換，速度多在40～100KHz，故肖特基二極管響應(yīng)時間應(yīng)越快越好。
詳述移步：電源模塊匯總(充電器))
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2）反向電壓保護
由于流過R2的電流極低，若采用自身漏電流較大的肖特基二極管(比如1N5820)，如圖2.4.3，加載20V電壓時PR1點將幾乎無電壓，電流直接從D1流過。
此時必須采用反向漏電流極低的肖特基二極管(比如上述的BAT54HT1、PMEG4002EB)，如圖2.4.4，20V/(6.8KΩ+6.8MΩ) = 2.94uA，故流過D1的電流幾乎為零。
加載反向電壓：
仿真原文件移步：Schottky反向漏電流仿真。
另外也可以采用電壓跟隨器做反向電壓保護。單電源供電時，Vi端加負電壓，Vo端輸出幾乎為0V。仿真原文件移步：MCP601構(gòu)成的負向電壓保護。
關(guān)于運放的詳述移步：運算放大器應(yīng)用匯總1、運算放大器應(yīng)用匯總2。
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