汽车电子设计专栏---有源器件

汽车电子设计专栏---有源器件篇

实用的齐纳二极管可能使用齐纳效应或雪崩效应，在某些二极管中，这两种效应也可能同时发生，但通常的做法是将所有这些二极管都称为齐纳二极管。齐纳效应和雪崩效应也在某种程度上取决于二极管的结温。然而，虽然纯齐纳二极管中的电流具有负温度系数，即电流随温度升高而降低，但在使用雪崩效应的二极管中会出现相反的效应。因此，可以制造同时使用这两种效应的齐纳二极管，因此这些温度效应往往会相互抵消，从而生产出由于温度而具有非常小的电流变化的二极管。

齐纳二极管广泛用于电源电路，用于稳压和过压保护，通过适当选择硅中的尺寸和杂质，可以控制发生反向击穿的电压。二极管V/I曲线的斜率在该区域变得非常平坦，该零件可以用作稳压器或钳位电路，为此而特性化的零件称为齐纳二极管。击穿电压可以控制在2.4V至数百伏之间，最大为270V。在正向方向上，齐纳二极管的功能就像普通的硅二极管一样，具有更高的VF和很好的VF/IF特性。

就像其它零件一样，齐纳管也不是完美的。其斜率电阻不为零，其击穿拐点不是很陡峭，在其低于击穿电压有漏电流，击穿电压具有公差和温度系数。图4.8演示了这些特性。

斜率电阻

齐纳二极管提供一个已知的电压，该电压始终在给定的反向电流IZ下定义。在此电流下，它将在指定的公差范围内，但在其它电流下，它将有所不同，该差异是齐纳斜率电阻（Rz）的函数。实际的工作电压范围可以通过将(IZ)Rz加到参考的电压范围，其中I是工作电流，IZ是引用齐纳电压的电流。

图4.8齐纳反向击穿电压-电流特性

在一定的IZ范围内(可以从公布的曲线确定)，Rz可以认为是线性的。随着电流的减小，特性接近曲线的“拐点”，Rz急剧增加。特意在“拐点电压”上操作齐纳二极管几乎没有意义，实际的拐点电压取决于类型和电流，但很少小于几百微安。因此，齐纳二极管在微功率或高阻抗电路中用处不大。对于低电流的并联稳压器应用，基于宽带隙基准零件的电路(请参见第5.4.2节)是可取的。

在典型的并联稳压器电路(图4.9)中，电压调节与Rz直接相关。显然，Rz越低越好。斜率电阻在6.8V左右降至最低，并在更大或更小的电压下明显增加。较低电压的齐纳二极管的斜率电阻比中间范围的电阻高得多(图4.9)。低于5V和高于100V时，单个稳压二极管就显示很差的稳压结果。因此，如果需要高压齐纳二极管，则可以通过串联两个或多个低压器件来获得所需的电压，从而获得更好的性能。

图4.9：并联稳压器的调节

图：基本电压基准齐纳二极管电路

提供参考电压的简单齐纳二极管电路

最基本的齐纳二极管电路由一个齐纳二极管和一个电阻组成。齐纳二极管提供参考电压，但必须有一个串联电阻来限制流入二极管的电流，否则大量电流会流过它并可能被破坏。

应计算齐纳二极管电路中的电阻值，以给出所用电源电压所需的电流值。通常，大多数低功率引线齐纳二极管的最大功耗为 400 mW。理想情况下，电路的耗散量应小于该值的一半，但要正确运行，流入齐纳二极管的电流不应低于约 5 mA，否则它们不能正确调节。

图：基本电压基准齐纳二极管电路

电路设计实例

以齐纳二极管电路用于从 12V的输入电压供应消耗2mA的稳压 5.1V轨的情况为例。以下简单步骤可用于计算所需的电阻：

计算串联电阻两端的电压差

12 - 5.1 = 6.9V

确定电阻电流。选择这个为 15 mA。对于负载电流的某些变化，这将允许在最小齐纳二极管电流之上有足够的余量。

检查齐纳二极管的功耗。在 15 mA 的电流和功耗上的电压为：

15 mA x 5.1 V = 76.5 mW

这正好在二极管的最大限制范围内

确定通过串联电阻的电流。这是齐纳二极管的 15 mA 加上负载的 2 mA，即 17 mA。

确定串联电阻的值。使用欧姆定律，这可以从其两端的电压降和通过它的总电流计算得出：

6.9 / 17 mA = 0.405 kΩ

最接近的值为 390 Ω

确定串联电阻的功率。这可以使用通过电阻器的电流值和之前计算的电阻器两端的电压来确定：

V x I = 6.9V x 17mA = 117mW

电阻器需要能够散发这种水平的热量。四分之一瓦的电阻器应该足够了。

这种简单的齐纳二极管电路被广泛用作提供电压基准的简单方法。

漏电流

在拐点下方，当反向电压不足以击穿时，仍有一些电流流通。这是由于以与传统二极管相同的方式且具有相同的温度依赖性而引起的泄漏电流。通常规定齐纳二极管在低于击穿电压的某个电压下的泄漏量要少20％至30％。当将齐纳管用作钳位器时，这是一个重要的限制，即零件的正常工作电压小于击穿电压。典型的应用是保护电路输入免受瞬态或连续过电压的影响，对电路输入端瞬变或过压的保护。

温度系数

像所有零件一样，齐纳二极管的击穿电压也具有温度系数。但是齐纳温度系数比平常要微小得多。实际上，硅有两种反向击穿机制。在低电压和非常薄的结势垒时，电子隧道是主要机制，而在较高电压和较厚势垒时，雪崩击穿是主要机理。根据所需的电压，一种机制或另一种机制将占主导地位，并且交越点约为5V。实际意义是两种机制的温度系数相反。它们也是斜率电阻急剧变化的原因。最小温度系数的最佳齐纳电压在4.7V至5.6V之间，并且在可以选择调节电压的情况下，如果温度系数很重要，则最好选择这些区间值。

图4.10中显示的曲线图说明了BZX79系列齐纳二极管的温度系数和斜率电阻变化。由于这些特性取决于齐纳效应的基本物理原理，因此其它制造商的产品将表现出相似的性能。

图4.10：BZX79系列的齐纳斜率电阻和温度系数-齐纳电压（可换ONSEMI）

精密齐纳管

该过程的另一个有趣的现象是，击穿电压约为5.6~5.9V的零件的温度系数约为2mV/℃，这平衡了常规正向偏置硅结的温度系数。通过将两者串联，可以创建一个温度系数几乎为零的齐纳二极管，其有效击穿电压在6.2V至6.4V之间(正向电压加反向电压)。这些零件可以作为“精密参考二极管”(1N821系列是最常见的示例)，其温度系数和公差经过严格调整，可用作电压基准。它们很昂贵，性能与价格成正比。通过将两个7.5V齐纳管串联，可以在8.4V左右获得类似的效果，该齐纳管的正温度系数为4mV/℃。这些零件在性能和价格方面直接与带隙基准源的集成电路竞争。通常，由于其较低的斜率电阻，较低的工作电流和更可调节的电压，所以能带隙基准源胜出。

齐纳噪声

从电气上来讲，齐纳击穿的另一个特征是它是一个电子噪声。实际上，以恒定电流工作，交流耦合和放大的齐纳二极管是宽带白噪声的良好来源，可用于校准和测量目的。齐纳二极管通常没有噪声输出的特征，因此很难在其上进行生产设计，但是可以通过单个偏置来使用。噪声在稳压器应用中通常不是问题，因为它比直流齐纳电压低许多个数量级，并且可以通过添加并联去耦电容器来消除。如果由于无意或由于需要快速响应而省略了电容器，则齐纳噪声对于精密基准而言可能就显得很明显和不能忽视。

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