二极管选型规范

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二极管是最早诞生的半导体器件之一,其应用非常广泛。特别是在各种电子电路中,利用二极管和电阻、电容、电感等元器件进行合理的连接,构成不同功能的电路,可以实现对交流电整流、对调制信号检波等多种功能 。无论是在常见的收音机电路还是在其他的家用电器产品或工业控制电路中,都可以找到二极管的踪迹 。二极管还有很多选型规范,本文就带大家了解一下。

1、 二极管发展状态及选型原则

1.1      二极管产品行业发展状态

(1)信号二极管的发展趋势:1)表贴化:小信号二极管插件封装基本淘汰,全部都是表贴封装2)小型化:SOT23向SOT323、SOT523、SOD52、SOD923、0402封装演进3)平引脚:翼型引脚和弯角引脚向平引脚切换,散热和通流性能更优另外,小型化发展还有两种趋势,即CSP(Chip ScalePackage)封装和QFN(Quad Flat No-lead Packge)封装。2者相比较而言,由于CSP封装是芯片级封装,与QFN相比具有如下几个优点:1)具有小的寄生参数,对于RF应用有更优异的表现2)高的封装可靠性,能支持至少3次加工返工3)由于封装较小,更加能节约PCB面积(2)功率二极管的发展趋势:SMX封装:通流能力增强:SMA通流能力达到2A;SMB通流能力到达4A;SMC通流能力达到5A;引脚优化:弯引角演进为直引脚,散热机器稳定性更强DPAK/D2PAK:对于200-400V整流二极管需求,可以选用此类封装器件高度扁平化,另外可以选用SMPC封装,通流能力更强。TO-220/TO-247:对于600V以上的二极管需求,主流推荐选用TO-220/TO-247封装插件封装:目前功率二极管推荐以TO-22和TO-247封装为优选封装 

1.2      选用原则

二极管物料分类表1  二极管分类

二极管类型

用途

应用场景

PIN二极管

调频调相。开关

射频电路

变容二极管

调频,高配电路匹配

调制解调电路

快恢复二极管

整流、续流

AC-AC、AC-DC

整流二极管

整流

AC-DC

肖特基二极管

整流、续流、开关

AC-AC、AC-DC

开关二极管

开关

开关电路

桥堆

整流

AC-DC

稳压管

稳压

稳压电路

瞬态抑制二极管/晶闸管

瞬态电压保护、ESD保护

保护电路

 PIN二极管微波开关利用PIN管在直流正-反偏压下呈现近似导通或断开的阻抗特性,实现了控制微波信号通道转换作用. PIN 二极管的直流伏安特性和PN结二极管是一样的,但是在微波频段却有根本的差别。由于PIN 二极I层的总电荷主要由偏置电流产生。而不是由微波电流瞬时值产生,所以其对微波信号只呈现一个线性电阻。此阻值由直流偏置决定,正偏时阻值小,接近于短路,反偏时阻值大,接近于开路。因此PIN 二极对微波信号不产生非线性整流作用,这是和一般二极管的根本区别,所以它很适合于做微波控制器件。因此,可以把PIN二极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关(即微波开关)、移相、调制、限幅等电路中。普通的二极管由PN结组成。在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层,组成的这种P-I-N结构的二极管就是PIN 二极管。正因为有本征(Intrinsic)层的存在,PIN 二极管应用很广泛,从低频到高频的应用都有,主要用在RF领域,用作RF 开关和RF保护电路,也有用作光电二极管(PhotoDiode)。PIN 二极管包括PIN光电二极管和PIN开关二极管。选用时主要考虑到PIN二极管射频特性参数与实际电路匹配,选择时可选择SOT、SOD等通用标准封装;另外Infineon将逐步退出二极管市场,新选型不予考虑。变容二极管选用时主要考虑偏压范围以及相应的容值,在使用时所提供的电压范围对应的变容比应满足要求。对于频率发生器还要求在此电压范围内的电容变化线性要好。另外电压的变化不能超过器件的最大重复工作电压快恢复二极管

1)选用时主要考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。
2)反向击穿电压VBR与反向重复工作电压VRWM的选择
一般情况下,VRWM=80%-85%VBR,对于VRWM的选择,通常要求VRWM不小于3倍的线路的工作电压

3)新选型禁止选用SMA/B/C封装,推荐选用SMA/B/C-FL(直引脚表贴封装),插件优选TO-220/TO237等封装,轴向插装的禁止选用4)最大平均正向电路IO、热阻Rjc、最高节温TjM的选择对于半导体器件来说,使用时产生的结温与器件的可靠性有密切的关系,一般情况下,结温每升高10-12摄氏度,器件的失效率要增加一倍。因此,在器件的选型时,应尽量选用热阻小,允许结温高的器件;应选择通过相同正向电流测得温升最小的器件。整流二极管选用时主要考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。普遍串联稳压电源电路中使用的整流二极管,对截止频率的反向恢复时间要求不高,只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的整流二极管即可,禁止选用Openjuction工艺的二极管,,禁止选择轴向插装的二极管肖特基二极管选用时主要考虑最大整流电流、最大反向工作电流、封装、抗浪涌电流,优选表贴小型化封装,禁止选用轴向插装的二极管。其它选项原则可以参考1501C快恢复二极管的选型开关二极管1)选用时主要考虑正向额定电流、反向重复工作电压、正向压降及开发过程中的损耗等参数2)最大平均正向电流IO、热阻RJC、最高结温TJM的选择对于半导体器件来说,使用时产生的结温与器件的可靠性有密切的关系,一般情况下,结温每升高10-12摄氏度,器件的失效率要增加一倍。因此,在器件的选型时,应尽量选用热阻小,允许结温高的器件;应选择通过相同正向电流测得温升最小的器件。3)反向击穿电压VBR与反向重复工作电压VRWM的选择

一般情况下,VRWM=80%-85%VBR,对于VRWM的选择,通常要求VRWM不小于3倍的线路的工作电压

4)正向压降VF与反向恢复时间Trr的选择对于开关二极管,影响二极管导通/截止(开关)速度的关键是由于非平衡载流子存储效应引起的反向恢复时间的存在。为了提高二极管的开关速度,人们制造能高速导通与关断的二极管。除了对二极管图形进行优化设计外,还在工艺中采用掺金等措施,引入深能级杂质,降低少子寿命,提高二极管的开关速度。SiC二极管

1)SiC二极管比较成熟的产品有600V(650V)和1200V档次,1700V SiC也在逐步推向市场,600V(650V)主要推荐选用DPAK封装,1200V推荐选用TO-220或者TO-237
2)最早的SiC二极管是纯肖特基结构的,其优点是Vf值比较低,但是抗浪涌能力很差,器件长期可靠性风险高,后续SiC主流厂家Cree等陆续推出JBS(Junction Barrier Schottky)结构的SiC二极管,可以显著提高抗浪涌能力,提高器件长期可靠性能。特别是在1200V SiC选型时,要特别注意器件的抗浪涌性能是否满足产品设计需求。目前拥有JBS结构的厂家主要有Wolfspeed(Cree)、Infinenon、Rohm(2016年底推出的产品)

稳压二极管1)在可能的情况下,应选择小微分电阻的器件2)在可能的情况下,选择低温度系数的器件,但不主张选用低温度系数的稳压二极管3)设计时,应考虑电压的容差,即电压的变化范围应尽可能的大硅瞬态保护器件1)电压选择:TVS管的最大钳位电压VCMAX不大于电路的最大允许安全电压,最大反向工作电压VRWM不大于电路的最大工作电压,一般可选择VRWM略大于电路工作电压。2)瞬态功率(电流)的选择:额定的最大脉冲功率必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。在选择用于保护的TVS管时,设计人员要计算回路中的脉冲时间(如RC回路的脉冲时间tp大约等于R*C),以确定选用的TVS管的脉冲功率。TVS管的峰值脉冲功率与脉冲持续时间有一定的关系,脉冲持续时间越大,峰值脉冲功率越小,反之则越大。3)选用TVS管作为数据信号线的保护时,要考虑TVS管结电容对信号波形的影响,应选用小结电容器件。另外也不应单独地强调减小电容,小电容的器件有一部分是以牺牲浪涌功率来获得的,在选用时应在结电容与浪涌功率两者间综合考虑。 

2. 二极选型关键要素

2.1. 额定电流

额定整流电流IF指二极管长期运行时,根据运行温升折算出来的平均电流值。目前最大功率整流二极管的IF值可达1000A。

2.2. 最大平均整流电流Io

最大平均整流电流IO:在半波整流电路中,流过负载电阻的平均整流电流的最大值。折算设计时非常重要的值。

2.3. 最大浪涌电流IFSM

运行流过的过量的正向电流。不是正常的电流,而是瞬间电流,这个值相当大。

2.4. 最大反向峰值电压VRM

即使没有反向电流,只要不断地提高反向电压,迟早会使二极管损坏。这种能加上的反向电压,不是瞬时电压,而是反复加上的正反向电压。因给整流器加的是交流电压,它的最大值是规定的重要因子。最大反向峰值电压VRM指为避免击穿所能加的最大反向电压。目前最高的VRM值可达几千伏。

2.5. 最大反向电压VR

上述最大反向峰值电压是反复加上的峰值电压,VR是连续加直流电压的值。用于直流电流,最大直流反向电压对于确定允许值和上限值是很重要的。 

2.6. 最高工作频率fM

由于PN结的结电容存在,当工作频率超过某一值时,它的单向导电性将变差。点接触式二极管的fM值较高,在100MHz以上;整流二极管的fM较低,一般不高于几千Hz。

2.7. 反向恢复时间Trr

当正向工作电压从正向电压变成反向电压时,二极管工作的理想情况是电流能瞬时截止。实际上,一般要延迟一点点时间。决定电流截止延时的量,就是反向恢复时间。

2.8. 最大功率P

二极管中有电流流过,就会吸热,而使自身温度升高。最大功率P为功率的最大值。具体讲就是加载二极管两端的电压乘以流过的电流。这个极限参数对稳压二极管,可变电阻二极管显得特别重要。

2.9. 反向饱和漏电流IR

指在二极管两端加入反向电压时,流过二极管的电流,该电流与半导体材料和温度有关。在常温下,硅管的IR为nA(10-9A)级,锗管的IR为mA(10-6A)级

2.10. 降额(结温降额)

降额可以提高产品可靠性,延长使用寿命,根据温度降低10℃寿命增加一倍的理论,下面列出了不同额定结温的管子最小降额结温数据。

表2  二极管降频

额定值TjM

125℃

150℃

175℃

200℃

降额后可使用的TjM

110℃

135℃

160℃

185℃

2.11. 安规

在选型阶段应该考虑到器件是否通过了安规认证,主要应该考虑功率器件。一般为各国广泛接受的安规认证类型有UL(北美)、CSA(加拿大)、TUV(德国)、VDE等

2.11. 可靠性设计

正确选用器件及器件周边的线路设计、机械设计和热设计等来控制器件在整机中的工作条件,防止各种不适当的应力或者操作给器件带来损伤,从而最大限度地发挥器件的固有可靠性。

2.11. 容差设计

设计单板时,应放宽器件的参数允许变化的范围(包括制造容差、温度漂移、时间漂移),以保证器件的参数在一定范围内变化时,单板能正常工作。

2.11. 禁止选用封装

禁止选用轴向插装的二极管封装、禁止选用Open-junction二极管。

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