对于Boost应用中的二极管选择的分析和介绍

上一期的微信稿，我写了全新的升压 IC RT4812的各种保护功能，其中的重点是输出短路保护和启动过程中的限流功能，这些都是过去的器件所没有的。全新功能的加入，常常意味着新的应用的诞生，对于工程师来讲，设计上就有了更多的可能性，在选择上就有了更多的自由。

对于我来说，新东西的出现总是让我喜悦，但也绝不会忘记旧的。所谓的记不住，实际只是不需要或是不想记住，一旦有了新的线索，旧的记忆会被提取出来，甚至可能愈发显得清晰。

我在进入电源管理领域的早期的记忆都是关于Boost的。RT9261，这是立锜最早的Boost产品，非常简单，只有3只引脚，它最辉煌的应用是传呼机，然后是低端的数码相机。RT9262/A，这是相对比较复杂一点的产品，两个型号分别是Boost与LDO和电压检测器的结合，实际应用中使用最多的是RT9262A，开始的时候主要在数码相机和MP3播放器上使用，后来我和远在镇江的宏图合作把它用进了便携式DVD，然后全天下的便携式DVD都采用了相同的电路设计。RT9266是RT9262之后的产品，简单的SOT-23-6的封装，曾经风靡MP3市场和数码相机市场若干年。使用RT9266最多的单一产品是位于东莞的一家客户为日本公司生产的数码相机，每台机子使用6片RT9266，升压、降压、升降压和正负电压的输出全由一种器件搞定，生产高峰的时候，每天用量达到36k。日本企业对产品质量要求高，即便是上百万台机子中出现了一片RT9266的损坏，立锜也要做出严格的分析，找出问题的改善之策，我想这种严格要求对立锜的品管改善和FAE能力的提升一定是帮助巨大的，只是我不了解其中的细节罢了。

上面的这些记忆都是关于便携式应用产品的，立锜后来的Boost产品大量出现在液晶显示屏的应用中，那就是属于大尺寸的应用了。

关于Boost，应用中最难的是PCB设计。稍有不慎，不良的元件布局和走线就会在最终的产品中形成严重的效率问题和EMI问题，烧IC那更是分分钟的事情。所以，我在给客户介绍设计方案时总是要去谈如何布局、如何走线的问题，元件的选择也是重点。

我人生中遇到的第一个Boost应用问题就是关于元件选择的。

如上图，开关SW接通的阶段是电感L的储能过程 ，其电流以线性增加；开关断开的时候，电感储能已升至最高处，为，从这个公式就可以看出来，电感中的能量是与其电流大小密切相关的，反过来，我们可以说这电流就是其能量的表现形式。开关的断开使得电流原来流通的路径被切断，可是电流又不能突变（因为能量不能突变，如果这一变化发生了，变化的部分就会以光速向外辐射，这就是电磁波了），于是电感上就会生出与电流方向相同的电压，这个电压与输入电压VIN加在一起形成的开关节点的电压VLX将高于输出电压VOUT加上二极管D的正向导通电压使二极管正向导通，于是电感电流得以继续流动并经二极管流向输出电容和负载。

在上述的过程中，二极管导通的速度必须是极快的，它的动作最好就是要和开关的关断过程同步，这样就可以让电流以不着痕迹的形式从一个路径切换到另外一个路径上。但在实际上，理想的开关二极管并不存在，不同的二极管因其制作材料、工艺的不同而有不同的特性，能够在DC/DC应用中使用的开关二极管应当具备开关速度快、导通电压低的特性，低压系统中常常选择的是肖特基二极管。

百度百科中是这样来介绍肖特基二极管的：肖特基二极管是以其发明人肖特基博士（Schottky）命名的，SBD是肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode）的简称。SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属－半导体结原理制作的。因此，SBD也称为金属－半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管。它属于一种低功耗、超高速半导体器件。最显著的特点为反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右。多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。在通信电源、变频器等中比较常见。

我第一次接触Boost应用问题的时候还是2001年，那时候我还在一家立锜的代理商那里工作，当时遇到的问题发生在一台数码相机上。2001年的时候，数码相机还是相当热门的应用，国内能够见到的还很少，也很昂贵，但美国人民已经用上了，我在深圳南山服务的一家公司的总裁是个美国人，因为工作和学习的关系，我俩各自介绍我们的女儿成为了朋友，在他发给我的邮件中就有他女儿的数码照片，是一个带着牙箍的漂亮女孩。对方能够给我数码照片而我却不能，这件事在当时还让我难受了好一阵。

那时候的深圳制作的数码相机一般是30万像素的，一般使用两节碱性电池作为电源，而系统的控制部分需要3.3V的电源供应，所以需要Boost电路将低于3V的电池电压提升至3.3V供系统使用，那时候最好的Boost器件就是RT9262，它一出现问题就被我给遇上了。当时看到的表现是输入电流很大，但负载电流却很小，芯片还发热，这说明有很多的能量都被芯片给消耗掉了，但没有经验的我自然是不知道如何处理的，所以就和立锜在***的工程师电话连线，在简单测量并了解了LX端的波形以后，他问我使用了什么型号的二极管，我在检查以后看到是1N400x系列的器件，马上告诉他，他就告诉我这二极管用错了，应该使用肖特基二极管，那就是1N5819啰，这是那时候最常见的型号。换了二极管以后，问题当然就消失了，而我也在听到二极管用错了的一瞬间明白了很多的道理。

1N400x系列的二极管是常用的整流二极管，最大平均正向电流为1A，能承受几十A的脉冲电流，反向漏电流只有几个微安，非常强壮，但它们的极电容很大，正向导通电压也很大，当把它们用于DC/DC的应用中时，它们的开关速度完全赶不上电流切换速度的要求，电感上电流就找不到出路，过高的反激电压就会被激发出来将相对脆弱的IC内部的MOSFET开关击穿，从而造成能量被白白浪费掉的问题。

DC/DC在使用中因元件选用不当或设计不当造成内部开关击穿的案例非常多，像我第一次遇到的这种状况是最容易处理的，只要把元件换成合适的类型就好了，实际中可能遇到的状况总是千差万别的，要把这些都总结出来其实还真不容易，但每一次的探讨都是有意义的，这可以深化我们对这个物理世界的认识，使我们慢慢地成长。

你想知道IC内部的开关被损坏以后长成什么样吗？我在写作的时候突然想到了这个问题。通常来说，我不喜欢把现场支持中遇到的问题发回总部去寻求帮助，因为几乎大部分的问题都和IC的设计无关，设计、生产过程中的问题常常是问题出现的根源，这些问题大多可以通过现场的工作得到解决。但在我的职场生涯中还是要时不时地把某些问题发回总部去处理，这样就有了一些问题报告的积累，下面的几幅图形就来自其中的一份报告，它们是关于立锜的一款LED驱动器的，型号是RT9284B，这已经是很老的器件了，它曾经在手机市场上立下了汗马功劳。

先看一下原理图，这样好建立一点初步的认识：

下面的就是损伤后的照片了：

这是芯片的封装被去除以后的照片，图中左侧那个不规则的椭圆形的黑点就是内部开关被强电击穿以后形成的，它跨接在LX和地之间。

这是另外一种形象的损伤，面积比较大，位置在右侧的中上部，在电路中属于接地一侧。

这幅图中的损伤点很小，在中间的红色点处，要被放大以后才看得清，相应地，它所导致的漏电流也比较小，你注意到了吗？图片中标注了这一数据：1.7μA。

在电路图上，这些损伤发生在哪里呢？下图做出了指示，问题就发生在其中的红圈处。

轻微的损伤导致的漏电流小，如果不进行仔细的测试，甚至可能不会被发现，但已经发生了的问题却不会自动消失，它们只会在未来的日子里慢慢恶化，最终导致问题的不可收拾，而这已可以理解为可靠性问题了。