广告

电源设计指南:齐纳二极管稳压器及其仿真

时间:2020-09-07 作者:Power Electronics News编辑团队 阅读:
齐纳二极管是使电压稳定至最佳的元器件。可惜的是,它无法提供大电流,但在为后续功率级提供精确电压基准时非常有用。所有电路均是通过精确的数学公式来调整的,齐纳二极管的应用条件计算也遵循这个规则。
广告

zdUEETC-电子工程专辑

齐纳二极管在正向偏置时的行为类似于具有PN结的普通硅二极管,允许电流从阳极流向阴极。但在反向偏置时,齐纳二极管不同于普通二极管阻止电流流动,而是在达到一定反向电压阈值时,开始导通,允许反向电流流过。zdUEETC-电子工程专辑

当施加到齐纳二极管的反向电压超过其典型极限阈值时,在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来限制电压的升高。在此过程中,电荷通过自由电子与相邻原子的碰撞而产生,并因此产生热量,有可能对器件造成不可逆转的损坏。zdUEETC-电子工程专辑

但是,如果二极管的耗尽区非常薄且高掺杂,则可能由于结中产生的高强度电场而生成反向电流。这个过程称为齐纳击穿(如图1所示),它是可逆的,而且不会损坏二极管。图中的水平轴上,齐纳二极管电压变得稳定的点称为齐纳电压(VZ),其值可以在几伏至几百伏之间。在掺杂和二极管制造过程中,可以小心地控制导通曲线的斜率和触发该过程的最小反向电流值,使公差小于1%。zdUEETC-电子工程专辑

图1:齐纳二极管的典型I-V特性zdUEETC-电子工程专辑

齐纳稳压器

齐纳二极管所具有的电压稳定水平(电源)比桥式整流电路和滤波电容器要高得多。尤其当半导体掺杂浓度恰当时,甚至可以实现齐纳击穿曲线(如图1)的斜率垂直,从而获得稳定的电压;随着输入电压的变化,波纹几乎可以忽略不计。图2显示了最简单的齐纳稳压器原理图。这里采用了VZ= 12 V的齐纳二极管;串联电阻R的值可通过图中所示的公式确定,其中Vi是输入电压,Vo是稳定的输出电压(12 V),IL是负载吸收的电流。zdUEETC-电子工程专辑

图2: 齐纳二极管稳压器zdUEETC-电子工程专辑

空载时,IL= 0,电路中的所有电流都将流过齐纳二极管,从而耗散最大功率。因此,必须按照指示谨慎选择串联电阻的值,以免超过空载时齐纳二极管能承受的最大功率。该电路能够产生几十毫安的电流,通常用于极化晶体管的基极,或作为运算放大器的输入,以获得较高的电流值。图3显示了能够扩大负载吸收功率的晶体管并联调节器。输出电压VO由下式给出:VO = VZ + VBEzdUEETC-电子工程专辑

图3:带有齐纳二极管和晶体管的并联调节器zdUEETC-电子工程专辑

标准齐纳电压

市场上常见的齐纳二极管电压范围从刚好1 V到几百伏。每个电压值通常都有一个或多个功率值,从略低于0.5 W到5W以上。最常见的齐纳二极管产品是小信号系列BZX55,其VZ电压在2.4 V至75 V之间,最大功率为500 mW。齐纳功率二极管BZX85系列也得到广泛应用,其VZ电压在2.7 V至100 V之间,最大功率为1300 mW。zdUEETC-电子工程专辑

zdUEETC-电子工程专辑

带齐纳二极管的串联稳压器

图4为最简单的齐纳二极管串联稳压器示例。其中晶体管作为电压跟随器,输出电压比齐纳电压低约0.6至0.7V。电阻R的大小必须经过精确调整,使齐纳二极管能正确极化,并且Q1的基极电流足以使其导通。为了防止齐纳二极管上的电流值下降至与齐纳效应不兼容,可以用达林顿晶体管代替低功率晶体管2N2222。zdUEETC-电子工程专辑

图4:带齐纳二极管和晶体管的串联稳压器zdUEETC-电子工程专辑

接下来,我们看下齐纳二极管的一些工作流程。zdUEETC-电子工程专辑

与典型的二极管一样,齐纳二极管看起来像一个小圆柱体,两端的两个端子用于连接或焊接到电路上。它是一个极化组件,具有一个阳极(正)和一个阴极(负)。zdUEETC-电子工程专辑

齐纳二极管管体上靠近阴极或负极端子的位置通常印有色带。当然,在电子原理图中,齐纳二极管也必须与普通二极管不同。它的符号与二极管非常相似,但为了区分它们,增加了两条细线。齐纳二极管主要使用的软件为LTspice。它是一款高性能SPICE仿真软件、原理图捕获和波形查看器,具有简化模拟电路仿真的增强功能和模型。LTspice可以从Analog Devices官网免费下载。zdUEETC-电子工程专辑

齐纳二极管

齐纳二极管如果直接极化会导通,跟普通二极管一样。但与普通二极管不同的是,反极化时齐纳二极管也会导通,但仅在超过电压阈值(Vz)时才会导通。在电路中,它被反极化,以利用其超过一定电压值才导通的特性。齐纳二极管的这种特性让所有执行某项特定功能的情况都可以采用它。现在我们来熟悉一下齐纳二极管的一般工作原理。图5所示为半导体(12 V的EDZV12B)被直接极化的简单电路原理图。在0 V至20 V之间对DC类型进行的仿真显示出电阻R1上的输出电压取决于电池电压。主曲线图和曲线图a证实了阴极和阳极之间的恒定压差约为0.833 V(结电压)。当阳极上的电压大于0.8 V时,压差开始恒定(图表b)。zdUEETC-电子工程专辑

图5:正向模式下的齐纳仿真zdUEETC-电子工程专辑

图6所示为半导体(同样是12 V的EDZV12B)被反极化的简单电路原理图。在0 V至20 V之间对DC类型进行的仿真显示出电阻R1上的输出电压取决于电池电压。当然,在这种模式下,普通二极管不会导电。但对于齐纳二极管,如果反向电压超过某个阈值(这里为12 V),它将开始导电。例如,如果电池电压为18 V,则电阻上的电压为6 V(18–12)。zdUEETC-电子工程专辑

图6:反向模式下的齐纳仿真zdUEETC-电子工程专辑

齐纳二极管做稳压器

我们知道,反极化的齐纳二极管导通时涉及一个固定电压Vz。例如,如果一个12V齐纳二极管上的电压是始终为12V,与电源电压无关,则可以将齐纳二极管用作稳压器。这是齐纳二极管的主要用途之一,即作为具有固定电压值的稳压器,固定电压可用于需要固定参考电压和为固定电源电压供电的电路。图7中采用了相同电压的齐纳二极管产生12V电源,非常完美地体现了齐纳二极管如何用作稳压器。该二极管前面有一个电阻用于限制电流,其阻值通过精确计算得出。从图中可以看出,当电池电压超过12 V时,电源开始工作。对于较低的电池电压,二极管的结压差始终为0.8V。zdUEETC-电子工程专辑

图7:齐纳二极管用作稳压器的一般原理图zdUEETC-电子工程专辑

图8中的图表显示了R1和D1上的电流随电池输入电压变化的情况(右侧为比例尺)。设计人员必须始终精确计算这些值,即使在最坏情况下也需要。实际上,齐纳二极管是适用于低电流的小型元器件。zdUEETC-电子工程专辑

图8:R1和D1上的电流zdUEETC-电子工程专辑

结论

齐纳二极管是使电压稳定至最佳的元器件。可惜的是,它无法提供大电流,但在为后续功率级提供精确电压基准时非常有用。所有电路均是通过精确的数学公式来调整的,齐纳二极管的应用条件计算也遵循这个规则。zdUEETC-电子工程专辑

(参考原文:Power Supply Design Notes: Zener Diode Voltage Regulator  & Power Supply Design Notes: Simulating a Zener Diode )zdUEETC-电子工程专辑

责编:Amy GuanzdUEETC-电子工程专辑

本文为《电子工程专辑》2020年9月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅  zdUEETC-电子工程专辑

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 安森美半导体总裁兼首席执行官Keith D. Jackson宣布20 安森美半导体公司(ON Semiconductor Corporation)宣布,公司总裁兼首席执行官Keith D. Jackson(杰克逊) 打算于2021年5月从安森美半导体退休。为确保有序过渡,Jackson先生在退休前将继续担任现有职务,并将协助董事会寻找其继任人。
  • 日本“飞行汽车”试飞成功,10米高空盘旋4分钟 作为智慧交通的另一种解决方案,“飞行汽车”正在一点点走进现实。虽然比电影《回到未来2》中预言的时间晚了五年,但人类终于还是造出了可以安全上天的飞行汽车。近日,日本SkyDrive公司首次载人飞行汽车试验成功,其代号SD-03飞行汽车在10米高空盘旋4分钟后成功着陆。
  • 华为轮值董事长郭平表态:继续投资海思 日前,华为轮值董事长郭平在与新员工座谈时,明确表示华为会继续保持对海思的投资。他认为,建立备胎计划已经十几年了,当时用的是别人的芯片,但是仍然保持足够的投资去做海思,现在华为作为一个系统设备公司扎到根,芯片设计就到根了。不过,他也指出,前端还有芯片制造工艺、制造设备和原材料,是美国约束华为的地方……
  • 美商芯片滞销,华为却向非美厂商加价囤货 一边是美国芯片厂商无法出货给华为,导致产品积压滞销;另一边是华为加价囤货,向非美系芯片厂商疯狂收货。美国政府针对华为的封杀,已经引发了美国芯片行业大量库存积压的现状,而另一边,华为又锁定供应吃紧的部分芯片,加价向非美国供应商要货……
  • 美国防部批准采购5家无人机公司产品取代“中国造” 日前,美国国防部批准联邦政府采购并使用五家“非中国”厂商制造的小型无人机,防范中国产品可能对美国国家安全构成的威胁。早在2017年8月,美国陆军就全面禁止了所有中国大疆创新的无人机;2020年1月,美国内政部也宣布封杀中国产无人机和相关零部件。当前美国还正在寻求立法禁止中国无人机和组件……
  • 电费吃不消,运营商定时休眠5G基站 近日,洛阳联通夜间部分时段休眠关闭部分中兴5G基站,来降低电费成本的消息,在通信圈引起热议。随着5G这个"耗能大户"的全面商用,电费成为了运营商最大的运营成本之一,三大运营商无一例外都积极想尽各种办法试图降低电费。
广告
热门推荐
广告
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了