电源设计说明：齐纳二极管稳压器

雪崩和齐纳效应

正向偏置时，齐纳二极管的行为类似于带有 PN 结的普通硅二极管，允许电流从阳极流向阴极。然而，与在反向偏置时阻止电流流动的普通二极管不同，在达到某个反向电压阈值时，齐纳二极管开始以相反方向流动的电流导通。

当施加到齐纳二极管的反向电压超过元件典型的限制阈值时，半导体耗尽区会发生称为雪崩击穿的过程，随后二极管会产生电流以限制电压的增加。在此过程中，自由电子与相邻原子的碰撞会产生电荷，从而产生热量并可能对器件造成不可逆的损坏。

然而，如果二极管制造时具有非常薄且高度掺杂的耗尽区，则有可能产生反向电流，作为在结中产生高强度电场的效果。这个过程（图 1）称为齐纳击穿，是可逆的，不会损坏二极管。齐纳二极管上的电压开始稳定的水平轴上的点对应于所谓的齐纳电压 (V Z )，其值可以在几伏到几百伏之间。在掺杂和二极管制造过程中，可以仔细控制传导曲线的斜率和触发该过程的最小反向电流值，容差小于 1%。

图 1：齐纳二极管的典型 IV 特性

齐纳稳压器

齐纳二极管提供比桥式整流器电路和滤波电容器更高的稳定水平（电源）。特别是，通过适当的半导体掺杂，可以实现图 1的齐纳击穿曲线的斜率实际上是垂直的，从而获得稳定电压，随着输入电压的变化，纹波可忽略不计且恒定。图 2显示了最简单的基于齐纳二极管的稳压器的原理图。已使用V Z = 12 V 的齐纳二极管，而串联电阻R的值可以如图所示确定，其中V i是输入电压，V o是稳定的输出电压 (12 V)，而I L是负载吸收的电流。

图 2：带齐纳二极管的稳压器

空载时，I L = 0，电路中的所有电流都将通过齐纳二极管，而齐纳二极管又会耗散其最大功率。因此，需要仔细选择串联电阻值，如图所示，以免超过齐纳二极管在空载时所能承受的最大功率。该电路能够产生几十毫安的电流，常用于晶体管基极的极化或作为运算放大器的输入，从而获得较高的电流值。图 3显示了一个晶体管并联稳压器，能够扩展负载吸收的功率。输出电压V O由下式给出：V O = VZ + V BE。

图 3：具有齐纳二极管和晶体管的并联稳压器

标准齐纳电压

在市场上，齐纳二极管的电压范围从 1 V 到几百伏不等。对于每个电压值，通常有一个或多个功率值可用，范围从略低于 0.5 W 到超过 5 W。最常见的齐纳二极管系列是小信号系列 BZX55，其V Z电压在 2.4 V 和 75 V 之间和 500 mW 的最大功率。BZX85 系列齐纳功率二极管也被广泛使用，其电压V Z介于 2.7 V 和 100 V 之间，最大功率为 1,300 mW。

带齐纳二极管的串联稳压器

图 4显示了带有齐纳二极管的串联稳压器的最简单示例。晶体管作为电压跟随器连接，输出电压比齐纳电压低约 0.6 至 0.7 V。电阻R 的大小必须使齐纳二极管正确极化并且 Q1 的基极电流足以使其导通。为防止齐纳管上的电流下降到与齐纳效应不兼容的值，可以用达林顿管代替小功率晶体管2N2222。

图 4：具有齐纳二极管和晶体管的串联稳压器

审核编辑：汤梓红