干货丨稳压管的应用

2023-08-01 17:24

上次为大家介绍了二极管中整流二极管的原理及应用，整流二极管主要利用二极管正向导通反向截止的特性进行整流，而今天为大家介绍另外一种类型的二极管，这个类型的二极管工作方式与整流管完全相反，它就是稳压管。

稳压二极管，又叫齐纳二极管，本质上，它也是正向导通反向截止，与普通整流管不一样的是，普通整流管反向电压施加到一定程度，会导致二极管的反向击穿，对二极管造成不可逆的损坏；而稳压管却是利用这个反向击穿，在一定电流范围内，让自身电压稳定在击穿电压附近。

（图片转自网络）

我们可以看到上面这个稳压管的伏安曲线图，施加正向电流时与普通整流管无异，但施加反向电流到一定程度时，稳压管开始击穿，并在一定电流范围内维持固定电压。

在反向施加电流时，大家可以把稳压管理解成一根大管道里面的压力阀，这个压力阀直径比整个管道小，且在一定水压的范围内不打开，只有管道水的压力大到一定程度，压力阀被冲开，水流通过小直径的压力阀流通。这里面管道的直径和压力阀的直径可以看作主电路电压和稳压管的稳定电压，水的流速快慢就是电流。

但值得注意的是，这个压力阀需要水流有一定流速才能完全打开，流速不够的情况下，压力阀处于半开状态，只有流速达到一定的量才能完全打开。

而这个“流速”，称为Iz，稳压管在电压达到击穿电压Vz，电流未达到Iz时，能够进入击穿状态，但稳压效果往往不尽如人意，所以在进行稳压管的使用时，要额外注意Iz的值。

那么，稳压管的电流可以无限增大么？当然不行，不管是什么二极管都有极限值。而稳压管的这个极限，就是Izm。电流超过Izm时，稳压管的温度将不受控制，甚至烧毁。

在汽车电路中，由于各个电器总成或元件的工作电流比较大，使汽车电源系统的电压会出现波动，因此，在一些需要精确电压值的地方经常利用稳压管来获取所需电压。

今天除了齐纳二极管，也给大家介绍另外两种工作原理类似的二极管，它们分别是TVS二极管和ESD二极管。

TVS二极管，中文全称瞬态抑制二极管（Transient Voltage Suppressor），它的外型与普通二极管相同，但却能吸收高达数千瓦的浪涌功率：它的主要特点是在反向应用条件下，当承受一个高能量的大脉冲时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。当异常的高压消失过后，电路进入到正常工作状态的时候，又恢复到高阻态。而ESD二极管也是TVS管的一种。

既然工作原理与齐纳二极管类似，那姑且也将其比喻成压力阀，与齐纳二极管不同的是，TVS这个“压力阀”是主管道的分支，并不工作在主管道中。当主管道压力过大时，分支的压力阀进行泄放，从而让主管道水压恢复到正常工作的压力范围内。具体电路应用可见下图，左边尖峰表示浪涌电压，经过TVS的吸收泄放到地之后，恢复成右边电路可接受的电压范围，避免对右边负载造成不可逆的损坏。

（图片转自网络）

从上图也能看出，TVS和齐纳二极管最大的区别：TVS通常不发生击穿导通，只有出现异常电压脉冲时导通；齐纳二极管则是长时间工作在击穿状态。那么齐纳二极管管是否能够替代TVS管或者TVS管是否能替代齐纳二极管呢，答案是否定的，主要原因有两点：1、稳压管的响应速度远不如TVS管；2、TVS管是接受瞬态浪涌的，无法像齐纳二极管一样长时间工作；3、两种管子的功率范围不在一个量级，TVS最高功率是KW级别，而稳压管能上10W都算高了。

（图片来自LRC产品推荐）

以上为TVS的伏安曲线图，选型时一般需注意的图中的VRWM（最大反向工作电压）、VBR（击穿电压）、VC（箝位电压）；通常VRWM的选择需高于正常工作电压1.2到1.3倍，否则TVS会长时间处于工作状态；VC要小于后级电路能承受的最大电压，否则无法起到保护效果。选型时还需关注IPP（脉冲峰值电流）和PPP（脉冲峰值功率），这决定了TVS管能够吸收脉冲能量的上限。

下面来讲讲ESD二极管（Electrical Suppression Diodes），之前有提到ESD也属于TVS的一种，它的工作原理、参数标定和TVS也几乎完全一致（在这不做赘述），那么ESD和TVS的主要区别是什么呢？

ESD二极管功能是防静电，主要应用于板级保护（通常是静电敏感的IC和MCU）。而TVS二极管功能是防浪涌过电压，主要应用于初级和次级保护（通常是电源级）。

而且ESD可以做出ESD阵列，对电路进行多线保护，而TVS因为功率需求，通常不做阵列。

参数方面，ESD与TVS需求多关注的一个参数：Cj（结电容），因为不管是应用在信号线还是需要接收信号的MCU，太大的结电容都会影响到信号波形，所以ESD的结电容不能做的太高。