二极管选型与应用

一、二极管概述

定义 二极管是由 N 型半导体 与 P 型半导体 构成的器件，两者的交界面形成 PN 结。

特性

• 具有 单向导电性：

  • 正极接高电位、负极接低电位 → 导通
  • 反之 → 截止

• 因此二极管的方向性非常重要。

主要分类

• 按功能：整流二极管、发光二极管（LED）、检波二极管、开关二极管、稳压二极管、变容二极管等。

• 按 PN 结构：

  • 点接触型：允许通过小电流，用于小电流整流和高频检波、检频、滤波。
  • 面接触型：允许通过大电流，多用于低频整流电路。

• 按材料：

  • 硅管：起始导通电压约 0.6 V，用于信号较强电路。
  • 锗管：起始导通电压约 0.2 V，用于信号较弱电路。
• 按封装材料：玻璃管壳、塑料管壳、环氧树脂管壳等。

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二、常见二极管类型与应用

1. 整流二极管

• 用途：对大电流或高电压进行整流，如 1N4001 ~ 1N4007。

• 特点：

  • 平面接触型
  • 允许较大电流
  • 反向耐压高
  • PN 结电容较大（不适合高频）
• 应用：整流电路、嵌位电路、保护电路等。
• 选型要点：最大整流电流 和 最高反向工作电压 要大于实际工作值。

2. 开关二极管

• 定义：导通时相当于开关闭合，截止时相当于开关断开。

• 特点：

  • 导通/截止切换速度快
  • 体积小、寿命长、可靠性高
• 应用：开关电路、检波电路、高频/脉冲整流电路、自动控制电路。

3. 肖特基二极管

• 来源：由肖特基发明，以其名字命名。

• 特点：

  • 结电压低至 0.15 V（常见 0.4 V 左右）
  • 极低结电容，开关速度快（约 10 ns）
  • 热量少，散热器可更小
• 应用：电源产品、低电压高频信号检测。

4. 稳压二极管

• 用途：稳压器或电压基准元件。

• 关键参数：

  1. 稳定电压
  2. 电压温度系数
  3. 动态电阻
  4. 稳定电流（最大、最小）
  5. 最大允许功耗

5. 发光二极管（LED）

• 特性：正向偏置并达到一定电流时发光。

• 注意事项：

  • 直流驱动需串联限流电阻，防止烧坏。
  • 正向压降 1.2~2 V，3.3 V 电源常用 330~680 Ω 限流电阻。
  • 反向击穿电压低（几伏），交流驱动需反向并联整流二极管保护。

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三、二极管的反向恢复电流

定义 二极管从导通到截止的切换过程中，由于内部存储的少数载流子被反向电场抽离，会产生短暂的反向电流 $I_{rr}$。

过程

1. 正向导通阶段：PN 结两侧注入少数载流子，形成存储电荷 $Q_{rr}$。
2. 反向切换阶段：外加反向电压后，存储电荷被抽离，形成瞬态反向电流，直到电荷完全清除（恢复时间 $t_{rr}$）才真正截止。

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四、应用案例

1. 二极管逻辑门

• 与门：所有电源正常有电压 → NMOS 导通 → LED 亮。
• 或门：二极管方向反转即可实现。

2. 电源切换

• 有 12 V 输入 → D1 导通、D2 截止 → 由直流供电。
• 无 12 V 输入 → D1 截止、D2 导通 → 由电池供电。

3. 钳位保护

• 在 I/O 端口与 VCC、GND 之间内置钳位二极管，限制电平范围：

  • Input > VCC → 电流经钳位二极管流向 VCC，钳位在 VCC + 0.5 V。
  • Input < GND → 电流经钳位二极管流向 GND，钳位在 GND - 0.5 V。

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五、题目自测与解析

题目 1：为什么 DC-DC 芯片输出端的功率电感旁边要加二极管？（以 TPS54331 为例）

解析

• 功能本质：这是降压（buck）开关电源中的续流二极管（catch/ freewheeling diode）。工作时刻：
  • 当高端开关导通（开关节点 PH 拉到 VIN）时，电感 L 吸能，电流从开关节点流向输出。
  • 当高端开关关断时，电感电流不能突变，电流需要一条回路继续流动。续流二极管提供这条回路。
• 保护作用：钳位开关节点，防止开关管或芯片内部开关节点被拉到过高或过低的电压（避免负振铃或反向击穿），减少对芯片内部器件的应力。
• 在 TPS54331 这类非同步（non-synchronous）降压芯片中，芯片内只有高端开关（上管），没有低端同步 MOSFET，因此必须用外接二极管来完成低端导通路径（同步型器件则用内置/外接低端 MOSFET 代替二极管）。

简单示意（箭头为电流方向）：

VIN ──(开关)──●──L── VOUT
              │
              D（续流二极管）
              ↓
             GND

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题目 2：为什么 D1 最好用肖特基二极管？

解析

• 低正向压降：肖特基 Vf 比普通硅整流二极管低（在低压大电流工况下可节省明显的导通损耗）。导通损耗约为 P = Vf * I。举例：若 I = 3 A，普通硅二极管 Vf ≈ 0.7 V → P≈2.1 W；肖特基 Vf ≈ 0.3 V → P≈0.9 W，效率与发热差异明显。
• 快速切换、无或极小的反向恢复（reverse recovery）：普通 PN 二极管在从导通到关断有反向恢复电流，会在开关瞬间产生额外损耗和电磁干扰（EMI）。肖特基由于没有少数载流子存储，几乎没有反向恢复，能显著降低开关损耗和电压尖峰。
• 降低开关节点振铃与应力：反向恢复小，开关瞬态更“干净”，有利于可靠性和 EMI 控制。
  注意与折衷：
• 肖特基的反向泄漏通常比普通二极管高，温度升高时泄漏增大；因此选型时要保证漏电、结温在允许范围内（尤其在高温或高压应用）。
• 肖特基的反向耐压（V_RRM）通常较低，必须选取耐压高于最大输入电压（加裕量）的型号（例如 VIN 12 V 时常选 20 V 或更高额定电压的肖特基）。
• 还可以用“低 RDS(on) 的同步 MOSFET”实现更高效率（即用同步整流），但那需要设计为同步拓扑或使用同步控制器。