簡(jiǎn)介

齊納二極管是二極管系列中用途最為廣泛的產(chǎn)品之一，因?yàn)辇R納二極管可用作低成本電壓穩(wěn)壓器，還可針對(duì)過(guò)壓事件提供鉗位保護(hù)。作為電壓穩(wěn)壓器和過(guò)壓鉗位，齊納二極管可勝任許多不同的應(yīng)用，例如電動(dòng)工具或車(chē)輛中的電池管理電路。齊納二極管也廣泛用于可穿戴設(shè)備、充電器等應(yīng)用的電源設(shè)計(jì)。電池供電應(yīng)用可能需要低至 uA 級(jí)的工作電流，而大多數(shù)齊納二極管的測(cè)試電流均以 mA 級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)。在測(cè)試電流為 50-500uA 的范圍內(nèi)，Vz 可能會(huì)出現(xiàn)顯著漂移，對(duì)于要求電壓嚴(yán)格穩(wěn)定的應(yīng)用而言，這可能是不可接受的。低測(cè)試電流下的這種 Vz 行為稱(chēng)為齊納噪聲現(xiàn)象。TI 的齊納二極管 (z ≤ 8.2V) 在這些較低的測(cè)試電流下具有較低的 Vz 漂移，適用于低電流運(yùn)行的應(yīng)用。這些二極管采用微型多源封裝，與穩(wěn)壓器 IC 相比可以節(jié)省布板空間，也可以節(jié)省 BOM 成本。

齊納噪聲現(xiàn)象

圖 1 反向偏置下進(jìn)入雪崩擊穿的 PN 結(jié)

要使齊納二極管提供穩(wěn)定的 Vz，它必須進(jìn)入雪崩模式，這需要兩個(gè)條件：

• 施加的場(chǎng)強(qiáng)（或反向電壓）足夠高，能夠使二極管進(jìn)入擊穿狀態(tài)
• 一定的最小泄漏電流就必須流動(dòng)

當(dāng)電流低于 1mA 時(shí)，二極管可能會(huì)瞬間退出雪崩擊穿狀態(tài)。在這種情況下，二極管的行為可能與電容器類(lèi)似。上升電壓信號(hào)的時(shí)間常數(shù)由電流驅(qū)動(dòng)器的電阻和二極管電容 (Cd) 決定。

一旦二極管充電至足夠高的電壓，就可能發(fā)生另一次雪崩擊穿。在這些條件下，雪崩擊穿的進(jìn)入或退出周期會(huì)導(dǎo)致齊納二極管上的電壓上升，這種現(xiàn)象稱(chēng)為齊納噪聲。

圖 2 顯示了 39V 齊納二極管在反向電流為 50uA 時(shí)的噪聲現(xiàn)象。在每個(gè)上升斜率之間，二極管會(huì)短暫退出雪崩模式，阻止電子通過(guò) p-n 結(jié)合流動(dòng)。一旦累積了足夠的電荷，將束縛電子激發(fā)出來(lái)，就可能發(fā)生與其他電子的碰撞，從而電離出更多電子，直到再次觸發(fā)雪崩擊穿。在 50uA 以?xún)?nèi)的低反向電流下，電壓會(huì)下降，直到達(dá)到低于擊穿電壓，二極管再次退出雪崩模式。雪崩擊穿狀態(tài)的反復(fù)切換會(huì)導(dǎo)致齊納噪聲的產(chǎn)生。在反向電流達(dá)到約 1mA 或更高時(shí)，只要施加足夠的反向電壓，二極管就可以持續(xù)處于雪崩擊穿狀態(tài)。這也是為何大多數(shù)齊納二極管都是在 mA 級(jí)反向電流下進(jìn)行參數(shù)表征，此時(shí)可觀察到更穩(wěn)定的 Vz。

圖 2 50uA 時(shí) Vz 為 39V

圖 3 展示了 TI 的 BZX84C8V2 與某款競(jìng)品 8.2V 齊納二極管在 50uA 測(cè)試電流下的 Vz 漂移情況。TI 二極管的峰值間電壓更低，且具有更小的響鈴，更快趨穩(wěn)的 Vz。在這些較低的測(cè)試電流下，噪聲現(xiàn)象更為明顯，而 TI 的設(shè)計(jì)在所測(cè)試的二極管中表現(xiàn)出較低的峰值間噪聲。

圖 3 50uA 時(shí) Vz 為 8.2V

從理論上講，隨著測(cè)試電流的增加，峰值間噪聲應(yīng)會(huì)減小，因?yàn)楦蟮碾娏髂茉谑┘拥扔诨蚋哂?Vz 的電壓時(shí)維持雪崩擊穿狀態(tài)。由于工藝技術(shù)的差異，維持雪崩擊穿所需的電流可能因供應(yīng)商而異。TI 的齊納二極管在測(cè)試電流增大時(shí)持續(xù)展現(xiàn)出較低的噪聲，而部分競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品在 500uA 下噪聲反而更高。

圖 4 500uA 時(shí) Vz 為 8.2V

示例應(yīng)用程序

齊納二極管常用于具有監(jiān)控功能的電池組設(shè)計(jì)，可用于檢測(cè)電芯過(guò)壓/欠壓、過(guò)熱，以及充放電過(guò)流等情況。在低電流下表征的齊納二極管非常適合應(yīng)用于電池管理單元的低功耗模式，此類(lèi)模式下通常只能消耗幾 uA 電流。齊納二極管在電池組設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用不僅限于電壓調(diào)節(jié)，還用于對(duì)諸如 MCU GPIO 或電池監(jiān)控 IC 的溫度傳感器引腳等只能承受幾伏特的敏感電路提供鉗位保護(hù)。當(dāng)齊納二極管遇到瞬態(tài)脈沖，且偏置電流很小甚至沒(méi)有時(shí)，過(guò)沖可能會(huì)更加嚴(yán)重。在這類(lèi)場(chǎng)景中，能在低電流下保持穩(wěn)定 Vz 的齊納二極管可實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的鉗位電壓。

在下方所示的電池組參考設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)(SW) 觸發(fā)時(shí)，電芯 1 的電壓可能會(huì)發(fā)生波動(dòng)。若該電壓未被鉗位至絕對(duì)最大額定電壓以下，電池監(jiān)測(cè) IC 的溫度檢測(cè)引腳可能受損。喚醒后電壓監(jiān)控將恢復(fù)正常，但仍需使用 D1 齊納二極管以調(diào)節(jié)直流電壓和/或鉗位瞬態(tài)電壓。

圖 5 簡(jiǎn)化的電池監(jiān)控器保護(hù)電路

還需要 D2 齊納二極管以實(shí)現(xiàn)鉗位瞬變，這可能會(huì)損壞連接到電池組 +/- 連接的外部充電/放電控制 FET 的 V_GS。在電池側(cè)，電芯均衡 FET 也需要瞬態(tài)鉗位保護(hù)。

圖 6 簡(jiǎn)化的電池電芯保護(hù)電路

此電池組參考設(shè)計(jì)中還有一個(gè) CAN 收發(fā)器，它使用 5.6V 齊納二極管來(lái)鉗制 5V 電源的任何電壓峰值。

圖 7 電源引腳保護(hù)或穩(wěn)壓電路

在備用電池單元等電池供電應(yīng)用中，為了最大限度延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間，電源系統(tǒng)通常需在低電流下運(yùn)行。下圖中的 D1 和 D2 齊納二極管用于將降壓/升壓控制器的 BOOT 至 SW 節(jié)點(diǎn)電壓保持在絕對(duì)最大額定值以下。這些開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)響鈴，導(dǎo)致 BOOT 至 SW 電壓達(dá)到峰值。與業(yè)內(nèi)常規(guī)齊納二極管相比，TI 的產(chǎn)品具備更低電容。這一點(diǎn)對(duì)于開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電源尤為關(guān)鍵，有助于降低因寄生電容引起的額外開(kāi)關(guān)損耗。

圖 8 降壓/升壓控制器 SW 節(jié)點(diǎn)保護(hù)

結(jié)語(yǔ)

齊納二極管是電力電子中不可或缺的元件，廣泛應(yīng)用于多個(gè)市場(chǎng)，為系統(tǒng)提供經(jīng)濟(jì)且可靠的電壓調(diào)節(jié)與鉗位保護(hù)。但是，由于齊納噪聲現(xiàn)象的存在，需要表征低電流下的齊納二極管性能來(lái)提供穩(wěn)定的電壓調(diào)節(jié)。TI 的低噪聲齊納二極管可在低至數(shù) uA 的電流下仍保持穩(wěn)定擊穿電壓，從而有效解決這一限制。詳細(xì)了解并在此處瀏覽我們的齊納二極管選型：齊納二極管。