簡介

齊納二極管是二極管系列中用途最為廣泛的產(chǎn)品之一，因為齊納二極管可用作低成本電壓穩(wěn)壓器，還可針對過壓事件提供鉗位保護。作為電壓穩(wěn)壓器和過壓鉗位，齊納二極管可勝任許多不同的應(yīng)用，例如電動工具或車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。電池供電應(yīng)用可能需要低至 uA 級的工作電流，而大多數(shù)齊納二極管的測試電流均以 mA 級為標(biāo)準(zhǔn)。在測試電流為 50-500uA 的范圍內(nèi)，Vz 可能會出現(xiàn)顯著漂移，對于要求電壓嚴(yán)格穩(wěn)定的應(yīng)用而言，這可能是不可接受的。低測試電流下的這種 Vz 行為稱為齊納噪聲現(xiàn)象。TI 的齊納二極管 (z ≤ 8.2V) 在這些較低的測試電流下具有較低的 Vz 漂移，適用于低電流運行的應(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，它必須進入雪崩模式，這需要兩個條件：

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

當(dāng)電流低于 1mA 時，二極管可能會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似。上升電壓信號的時間常數(shù)由電流驅(qū)動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，雪崩擊穿的進入或退出周期會導(dǎo)致齊納二極管上的電壓上升，這種現(xiàn)象稱為齊納噪聲。

圖 2 顯示了 39V 齊納二極管在反向電流為 50uA 時的噪聲現(xiàn)象。在每個上升斜率之間，二極管會短暫退出雪崩模式，阻止電子通過 p-n 結(jié)合流動。一旦累積了足夠的電荷，將束縛電子激發(fā)出來，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 以內(nèi)的低反向電流下，電壓會下降，直到達到低于擊穿電壓，二極管再次退出雪崩模式。雪崩擊穿狀態(tài)的反復(fù)切換會導(dǎo)致齊納噪聲的產(chǎn)生。在反向電流達到約 1mA 或更高時，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 級反向電流下進行參數(shù)表征，此時可觀察到更穩(wěn)定的 Vz。

圖 2 50uA 時 Vz 為 39V

圖 3 展示了 TI 的 BZX84C8V2 與某款競品 8.2V 齊納二極管在 50uA 測試電流下的 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。在這些較低的測試電流下，噪聲現(xiàn)象更為明顯，而 TI 的設(shè)計在所測試的二極管中表現(xiàn)出較低的峰值間噪聲。

圖 3 50uA 時 Vz 為 8.2V

從理論上講，隨著測試電流的增加，峰值間噪聲應(yīng)會減小，因為更大的電流能在施加等于或高于 Vz 的電壓時維持雪崩擊穿狀態(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 的齊納二極管在測試電流增大時持續(xù)展現(xiàn)出較低的噪聲，而部分競爭產(chǎn)品在 500uA 下噪聲反而更高。

圖 4 500uA 時 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，可用于檢測電芯過壓/欠壓、過熱，以及充放電過流等情況。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)計中的廣泛應(yīng)用不僅限于電壓調(diào)節(jié)，還用于對諸如 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。當(dāng)齊納二極管遇到瞬態(tài)脈沖，且偏置電流很小甚至沒有時，過沖可能會更加嚴(yán)重。在這類場景中，能在低電流下保持穩(wěn)定 Vz 的齊納二極管可實現(xiàn)更穩(wěn)定的鉗位電壓。

在下方所示的電池組參考設(shè)計的簡化電路中，當(dāng)開關(guān)(SW) 觸發(fā)時，電芯 1 的電壓可能會發(fā)生波動。若該電壓未被鉗位至絕對最大額定電壓以下，電池監(jiān)測 IC 的溫度檢測引腳可能受損。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 簡化的電池監(jiān)控器保護電路

還需要 D2 齊納二極管以實現(xiàn)鉗位瞬變，這可能會損壞連接到電池組 +/- 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。

圖 6 簡化的電池電芯保護電路

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

圖 7 電源引腳保護或穩(wěn)壓電路

在備用電池單元等電池供電應(yīng)用中，為了最大限度延長續(xù)航時間，電源系統(tǒng)通常需在低電流下運行。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)點電壓保持在絕對最大額定值以下。這些開關(guān)節(jié)點可能會響鈴，導(dǎo)致 BOOT 至 SW 電壓達到峰值。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。這一點對于開關(guān)節(jié)點電源尤為關(guān)鍵，有助于降低因寄生電容引起的額外開關(guān)損耗。

圖 8 降壓/升壓控制器 SW 節(jié)點保護

結(jié)語

齊納二極管是電力電子中不可或缺的元件，廣泛應(yīng)用于多個市場，為系統(tǒng)提供經(jīng)濟且可靠的電壓調(diào)節(jié)與鉗位保護。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。