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直接來源 | 電子電路




二極管在我們電路板中是最常見的元器件之一,那么,在選型的時(shí)候,有考慮因素呢?




1正向?qū)▔航?


壓降:二極管的電流流過負(fù)載以后相對(duì)于同一參考點(diǎn)的電勢(shì)(電位)變化稱為電壓降,簡(jiǎn)稱壓降。



導(dǎo)通壓降:二極管開始導(dǎo)通時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓。



正向特性:在二極管外加正向電壓時(shí),在正向特性的起始部分,正向電壓很小,不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的阻擋作用,正向電流幾乎為零。當(dāng)正向電壓大到足以克服PN結(jié)電場(chǎng)時(shí),二極管正向?qū)ǎ娏麟S電壓增大而迅速上升。



反向特性:外加反向電壓不超過一定范圍時(shí),通過二極管的電流是少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)所形成反向電流。由于反向電流很小,二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。反向電壓增大到一定程度后,二極管反向擊穿。





正向?qū)▔航蹬c導(dǎo)通電流的關(guān)系



在二極管兩端加正向偏置電壓時(shí),其內(nèi)部電場(chǎng)區(qū)域變窄,可以有較大的正向擴(kuò)散電流通過PN結(jié)。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值(這一數(shù)值稱為“門檻電壓”,鍺管約為0.2V,硅管約為0.6V)以后,二極管才能真正導(dǎo)通。但二極管的導(dǎo)通壓降是恒定不變的嗎?它與正向擴(kuò)散電流又存在什么樣的關(guān)系?通過下圖1的測(cè)試電路在常溫下對(duì)型號(hào)為SM360A的二極管進(jìn)行導(dǎo)通電流與導(dǎo)通壓降的關(guān)系測(cè)試,可得到如圖2所示的曲線關(guān)系:正向?qū)▔航蹬c導(dǎo)通電流成正比,其浮動(dòng)壓差為0.2V。從輕載導(dǎo)通電流到額定導(dǎo)通電流的壓差雖僅為0.2V,但對(duì)于功率二極管來說它不僅影響效率也影響二極管的溫升,所以在價(jià)格條件允許下,盡量選擇導(dǎo)通壓降小、額定工作電流較實(shí)際電流高一倍的二極管。





在我們開發(fā)產(chǎn)品的過程中,高低溫環(huán)境對(duì)電子元器件的影響才是產(chǎn)品穩(wěn)定工作的最大障礙。環(huán)境溫度對(duì)絕大部分電子元器件的影響無(wú)疑是巨大的,二極管當(dāng)然也不例外,在高低溫環(huán)境下通過對(duì)SM360A的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表1與圖3的關(guān)系曲線可知道:二極管的導(dǎo)通壓降與環(huán)境溫度成反比。在環(huán)境溫度為-45℃時(shí)雖導(dǎo)通壓降最大,卻不影響二極管的穩(wěn)定性,但在環(huán)境溫度為75℃時(shí),外殼溫度卻已超過了數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的125℃,則該二極管在75℃時(shí)就必須降額使用。這也是為什么開關(guān)電源在某一個(gè)高溫點(diǎn)需要降額使用的因素之一。



表 1 導(dǎo)通壓降與導(dǎo)通電流測(cè)試數(shù)據(jù)







2額定電流、最大正向電流IF額定電流IF指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí),根據(jù)運(yùn)行溫升折算出來的平均電流值。目前最大功率整流二極管的IF值可達(dá)1000A。



是指二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí),允許通過的最大正向平均電流值,其值與PN結(jié)面積及外部散熱條件等有關(guān)。因?yàn)殡娏魍ㄟ^管子時(shí)會(huì)使管芯發(fā)熱,溫度上升,溫度超過容許限度(硅管為141左右,鍺管為90左右)時(shí),就會(huì)使管芯過熱而損壞。所以在規(guī)定散熱條件下,二極管使用中不要超過二極管最大整流電流值。例如,常用的IN4001-4007型鍺二極管的額定正向工作電流為1A。



3最大平均整流電流Io最大平均整流電流IO:在半波整流電路中,流過負(fù)載電阻的平均整流電流的最大值。折算設(shè)計(jì)時(shí)非常重要的值。



4最大浪涌電流IFSM運(yùn)行流過的過量的正向電流。不是正常的電流,而是瞬間電流,這個(gè)值相當(dāng)大。



5最大反向峰值電壓VRM即使沒有反向電流,只要不斷地提高反向電壓,遲早會(huì)使二極管損壞。這種能加上的反向電壓,不是瞬時(shí)電壓,而是反復(fù)加上的正反向電壓。因給整流器加的是交流電壓,它的最大值是規(guī)定的重要因子。最大反向峰值電壓VRM指為避免擊穿所能加的最大反向電壓。目前最高的VRM值可達(dá)幾千伏。






6最大反向電壓VR上述最大反向峰值電壓是反復(fù)加上的峰值電壓,VR是連續(xù)加直流電壓的值。用于直流電流,最大直流反向電壓對(duì)于確定允許值和上限值是很重要的。



7最高工作頻率fM由于PN結(jié)的結(jié)電容存在,當(dāng)工作頻率超過某一值時(shí),它的單向?qū)щ娦詫⒆儾?。點(diǎn)接觸式二極管的fM值較高,在100MHz以上;整流二極管的fM較低,一般不高于幾千Hz。



8反向恢復(fù)時(shí)間Trr當(dāng)正向工作電壓從正向電壓變成反向電壓時(shí),二極管工作的理想情況是電流能瞬時(shí)截止。實(shí)際上,一般要延遲一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間。決定電流截止延時(shí)的量,就是反向恢復(fù)時(shí)間。







9最大功率P二極管中有電流流過,就會(huì)吸熱,而使自身溫度升高。最大功率P為功率的最大值。具體講就是加載二極管兩端的電壓乘以流過的電流。這個(gè)極限參數(shù)對(duì)穩(wěn)壓二極管,可變電阻二極管顯得特別重要。



10反向飽和漏電流IR指在二極管兩端加入反向電壓時(shí),流過二極管的電流,該電流與半導(dǎo)體材料和溫度有關(guān)。在常溫下,硅管的IR為nA(10-9A)級(jí),鍺管的IR為mA(10-6A)級(jí)



11降額(結(jié)溫降額)降額可以提高產(chǎn)品可靠性,延長(zhǎng)使用壽命,根據(jù)溫度降低10℃壽命增加一倍的理論,下面列出了不同額定結(jié)溫的管子最小降額結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)。




表1  二極管降額


額定值TjM


125℃


150℃


175℃


200℃


降額后可使用的TjM


110℃


135℃


160℃


185℃



12安規(guī)選型階段應(yīng)該考慮到器件是否通過了安規(guī)認(rèn)證,主要應(yīng)該考慮功率器件。一般為各國(guó)廣泛接受的安規(guī)認(rèn)證類型有UL(北美)、CSA(加拿大)、TUV(德國(guó))、VDE等



13可靠性設(shè)計(jì)正確選用器件及器件周邊的線路設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)等來控制器件在整機(jī)中的工作條件,防止各種不適當(dāng)?shù)膽?yīng)力或者操作給器件帶來?yè)p傷,從而最大限度地發(fā)揮器件的固有可靠性。



14容差設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)單板時(shí),應(yīng)放寬器件的參數(shù)允許變化的范圍(包括制造容差、溫度漂移、時(shí)間漂移),以保證器件的參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí),單板能正常工作。




15禁止選用封裝禁止選用軸向插裝的二極管封裝、禁止選用Open-junction二極管。



O/J是OPEN JUNCTION的晶圓擴(kuò)散工藝,在晶圓擴(kuò)散后切片成晶粒,晶粒的邊緣是粗糙的,電性能不穩(wěn)定,需要用混合酸(主要成分為氫氟酸)洗掉邊緣,然后包以硅膠并封裝成型,可信賴性較差。



GPP是Glassivation passivation parts的縮寫,是玻璃鈍化類器件的統(tǒng)稱,該產(chǎn)品就是在現(xiàn)有產(chǎn)品普通硅整流擴(kuò)散片的基礎(chǔ)上對(duì)擬分割的管芯P/N結(jié)面四周燒制一層玻璃,玻璃與單晶硅有很好的結(jié)合特性,使P/N結(jié)獲得最佳的保護(hù),免受外界環(huán)境的侵?jǐn)_,提高器件的穩(wěn)定性,可信賴性極佳。






O/J的散熱性沒有GPP的好,兩者本質(zhì)結(jié)構(gòu)截然不同:O/J芯片需要經(jīng)過酸洗后加銅片焊接配合硅膠封裝,內(nèi)部結(jié)構(gòu)上顯得比GPP的大;GPP芯片造的整流橋免去了酸洗、上硅膠等步驟,直接與整流橋的銅連接片焊接。內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯的比O/J芯片制造而成的小。才造成直觀的、習(xí)慣性的誤解。



GPP芯片和OJ芯片的綜合評(píng)價(jià):



1、GPP芯片在wafer階段即完成玻璃鈍化,并可實(shí)施VR的probe testing,而OJ芯片只有在制得成品后測(cè)試VR。



2、VRM為1000V的GPP芯片,通常從P 面開槽和進(jìn)行玻璃鈍化,臺(tái)面呈負(fù)斜角結(jié)構(gòu)(表面電場(chǎng)強(qiáng)度高于體內(nèi)),而OJ芯片的切割不存在斜角。



3、GPP芯片的玻璃鈍化分布在pn結(jié)部分區(qū)域(不像GPRC芯片對(duì)整個(gè)斷面實(shí)施玻璃鈍化,而OJ芯片對(duì)整個(gè)斷面施加硅橡膠保護(hù)。



4、GPP芯片由于機(jī)械切割的原因留下切割損傷層,而OJ芯片的切割損傷層可經(jīng)化學(xué)腐蝕去除掉。



5、GPP芯片采用特殊高溫熔融無(wú)機(jī)玻璃膜鈍化,Tjm及HTIR穩(wěn)定性高于用有機(jī)硅橡膠保護(hù)的OJ制品。



6、GPP芯片適合小型化、薄型化、LLP封裝,而OJ芯片適合引出線封裝。



在制作工藝上的區(qū)別:



(1)OJ的芯片必須經(jīng)過焊接、酸洗、鈍化、上白膠、成型固化烘烤等步驟,其電性(反向電壓)與封裝酸洗工藝密切相關(guān),常規(guī)封裝形式為插件式。



(2)而GPP在芯片片制造工藝中已包含酸洗、鈍化。其電性由芯片片直接決定,常見封狀形式為貼片式。



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