关于二极管的性能分析和介绍

有个网友发信息给我，说他在5V输出转换器的输出端并联的二极管有损坏的状况，请我给些建议。他的电路是这样的：

这个图的左面是DC/DC转换器，因为不是立锜的产品，我们又要谈问题，为了避嫌，我就不让它露面了。

实际中损坏的二极管就是图中的D8，按照型号查阅的资料表明这是一款击穿电压为5.6V的齐纳二极管，也就是我们常说的稳压二极管。

朋友之所以会用上这个管子，是因为担心稳压器输出的电压太高，可能损坏远端连接的负载，现在负载没有坏，这个管子倒是先坏了，让他很着急，因为产品马上要批量生产了。

在正常情况下，稳压器的输出电压总是会按照设定去输出的，所以，我觉得这个朋友是有些多虑了，这个二极管是没有必要加的。非正常状况下，输出电压确实是有可能会高于设定的输出电压的，这个时候就需要在系统中考虑过压保护的问题，但是这却不是靠着这只二极管可以实现的，它只会在高压下自动地损坏掉，不会带来持续的保护作用。

这只稳压二极管为什么会损坏呢？这其实是由齐纳二极管的特性决定的，你不能在没有任何限流措施的情况下给它加电压，这很可能导致过高的电流流过它，管子因为过多的热量积累而不堪重负，最好只好落得烧毁的下场。

为什么过高的电压会形成大电流呢？看看下图就明白了：

齐纳二极管表现出反向压降UZ的时候，流过它的电流是很小的。以该设计中所选的型号3SMAJ5919B来看，它的5.6V电压出现在电流IZ= 66.9mA的时候（见下图中的数据IZT，为测试电流）。

如果该器件的稳压特性非常好，外加电压只需超过5.6V一点点，流过它的电流就可以达到甚至超过IZM（这表示器件的动态电阻很小，稳压精度高。以上表所列数据250Ω来计算，要达到534mA的最大电流，其外加电压只需再增加（534 - 66.9）/250 = 1.8684mV即可），而这个电流就是该二极管能够承受的最大电流，再大的电流它就不能承受了，这个数据实际上和器件的功率耗散能力直接相关，所以你能看到不同稳压值的二极管的这个电流值是不一样的（上图中的IZM）。

DC/DC转换器的输出电压是由什么决定的呢？如果它的工作条件是良好的，负载也没有超出其能力，它的输出电压就是由其自身决定的。这个二极管在这里也就是它的负载，当流过二极管的电流还不够大的时候，电压完全由转换器本身确定，所以二极管不会起到稳压的作用。当电压提高到使二极管的电流足够大时，二极管的击穿电压将转换器的输出电压钳制住，二者处于平衡状态，但这种平衡将很快被打破，二极管将因过热而烧毁短路，输出电压被拉到很低的状态，转换器的负载电流超过其负载能力，如果它被设计得很完善，这时候就会发生两种保护——过流保护和欠压保护，如果它被设计得不完善，转换器自身的安危就成了问题。

上面说了这个型号的齐纳二极管的稳压值是5.6V，但实际上这只是这个参数的典型值。实际中的齐纳二极管的击穿电压（也就是前述的稳压值）分布范围是很宽的，它们不能像集成电路那样被设定成很精确的数据，这是由制造工艺决定的。这个客户遇到的那些损坏了的状况，如果能够排除电路中实际出现的高压，通常就是那些击穿电压分布在低区的那部分，它们又恰好遇到了稳压器输出电压较高的那部分（这也是有一定的分布特性的），两者的结合造成了最后的损坏结果。关于两者的分布特性以及它们的重叠情况，可参考下图，我因没有实际的数据，所以用正态分布的曲线来代替现实，而正态分布在实际上的可能性为最大。

有时利用某个参数的分布特性去理解现实是很有用的，我曾用这样的数据解决过很重要的客诉问题，帮助客户找出了设计中的缺陷。对于立锜的产品来说，规格书中所列出来的所有数据都会有详细的生产测试记录，这些数据帮了我的大忙。如果某一天你在使用立锜产品中出现了这样的问题，你是可以在此方面寻求立锜的帮助的。

当我们能通过这些思考找到二极管损坏的原因的时候，能够马上做出的决定自然就是不要安装它了，而这也就是我给那位朋友的建议。

但是这位朋友的担忧有没有被解除呢？我认为是没有。

有的转换器在设计中会特别设计输出过压保护功能，但这并不常见，因为一款普通的转换器没有必要去考虑这个问题，这样做会把设计复杂化，过压保护功能总是独立于正常的转换系统而存在并对转换系统进行控制。这个朋友的设计并没有选用立锜的产品，所以我也不了解他所用的器件是否有这方面的考虑，但即便有，这种保护也是不完善的，因为需要保护的是负载，而转换器的输出到负载之间还有长长的传输线，它与负载的结合也有可能在负载端造成高电压，所以施加保护的位置应该是在负载那一侧。

我们常用的手机就是常见的长线传输供电的例子，5V电源适配器的输出经过至少几十厘米的充电线后接入手机，这个端口上就常常出现高压，它们通常是由传输线的自感和手机输入端的电容在电流的冲击下共同形成的高频振铃信号。如果手机体积很大，我们可以在手机的输入端增加一个等效串联内阻比较大的电解电容来消解它，但可惜这是不现实的。采用RC串联电路也能起到消解的作用，但会形成一定的功耗。比较常见的做法是采用高耐压的电源IC去抵挡输入端的高电压，下面提供一些示例。

上图所示电路就是一款非常简单的充电IC RT9527的应用电路图，它的VIN端的电压最高可以到28V而不会损坏，但它的实际推荐工作电压范围只是4.4V-6V，当输入电压高于6.5V（典型值）的时候，过压保护OVP就发生了，输入的高压不可能到达其输出端。

上图是目前很热门的手机直充功能必然会用到的IC RT9750，它能以8mΩ的接通电阻将输入端的电压直接导入电池为电池充电，充电电流可高达6A，它的工作电压范围为3V-6V。它也可以实现输入过压保护，但其过压保护的阈值是可以通过软件进行调节的，可调范围介于4.2V-6V之间，所有高于过压保护阈值的输入电压都会被禁止进入系统，它的输入端即使见到22V的电压也不会损坏。这颗IC还有很多专门针对充电应用所必须的功能，这里不详述了。

上面提到的这些解决方案都是针对电池的，其实非电池的负载一样有可供选择的过压保护解决方案，下面略取二例。

RT9746，耐压28V的过压过流保护开关，最大电流负载能力为4.5A，过压保护阈值有6.2V、6.8V、11.5V、14.5V等几档可选，也可以自行设定其过压保护点。虽然上述原理图的输出端画的是Charger，但那实际上是作为负载来使用的，你可以任意换成其他负载，由于它们没有机会见到高于RT9746过压保护阈值的电压，因而可以使用低耐压器件。

RT1720，这可是个强大的东东，我曾经专门写文章介绍过它，5V-80V的工作电压范围，输出电压最高60V可调，只要输入电压低于设定的最高输出电压，从输入到输出的路径就是畅通无阻的，过高的输入出现时则对输出电压进行调节，使之不高于应用的需要。即使输入电压在-60V - +90V范围内变化，负载也绝无因此损坏的可能，它自己也会很安全。