肖特基二極管在電源管理中的應用分析

　　肖特基二極管在電源管理中的應用分析

　　任何非同步直流/直zhi流liu轉zhuan換huan器qi都dou需xu要yao一yi個ge所suo謂wei的de續xu流liu二er極ji管guan。為wei了le優you化hua方fang案an的de整zheng體ti效xiao率lv，通tong常chang傾qing向xiang於yu選xuan擇ze低di正zheng向xiang電dian壓ya的de肖xiao特te基ji管guan。很hen多duo設she計ji都dou采cai用yong一yi個ge轉zhuan換huan器qi設she計ji(網絡)工(gong)具(ju)推(tui)薦(jian)的(de)二(er)極(ji)管(guan)。這(zhe)並(bing)非(fei)總(zong)是(shi)二(er)極(ji)管(guan)的(de)最(zui)優(you)選(xuan)擇(ze)。更(geng)何(he)況(kuang)

，如(ru)果(guo)設(she)計(ji)工(gong)具(ju)不(bu)考(kao)慮(lv)熱(re)性(xing)能(neng)和(he)漏(lou)電(dian)流(liu)之(zhi)間(jian)的(de)動(dong)態(tai)變(bian)化(hua)，則(ze)極(ji)有(you)可(ke)能(neng)發(fa)生(sheng)實(shi)際(ji)性(xing)能(neng)有(you)別(bie)於(yu)設(she)計(ji)工(gong)具(ju)的(de)分(fen)析(xi)或(huo)模(mo)擬(ni)出(chu)的(de)結(jie)果(guo)。本(ben)文(wen)將(jiang)探(tan)討(tao)一(yi)些(xie)在(zai)選(xuan)擇(ze)正(zheng)確(que)的(de)二(er)極(ji)管(guan)時(shi)應(ying)仔(zai)細(xi)考(kao)慮(lv)的(de)典(dian)型(xing)參(can)數(shu)
，以(yi)及(ji)如(ru)何(he)應(ying)用(yong)這(zhe)些(xie)參(can)數(shu)來(lai)快(kuai)速(su)確(que)定(ding)選(xuan)型(xing)的(de)正(zheng)確(que)與(yu)否(fou)。

　　檢查損耗

　　圖1給出了非同步直流/直流降壓轉換器的基本框圖。D1是所需的肖特基管。左側是開關S1閉合時(時間為T1)的電流情況，右側是開關S1打開時(時間為T2)的電流情況。

　　圖1：非同步直流/直流降壓轉換器基本框圖

　　當時間為T2時，輸出電流(Iout)流經D1。所產生的損耗與D1的正向電壓(Vfw)和輸出電流直接相關。PT2等於Iout*Vfw。顯然
，我們希望盡可能降低以控製損耗，減少發熱。

　　T1期間，D1處於阻斷狀態。唯一的電流是反向電流。此電流相對較弱
，並且主要由阻斷電壓或輸入電壓Vin決定。T1階段二極管產生的功耗
，稱為PT1，大致等於Ir*Vin。

　　對於任何肖特基二極管，在設計時都存在一個取舍。即此設備要麼針對低Vf進行優化，要麼針對低Ir進行優化。因此
，如果選擇低Vf，則Ir就較高
，反之亦然。在實際應用設計時，重要的是不僅要觀察Vf或Ir的值，還要分析它們在實際操作中會產生什麼結果。Vf和Ir都會隨溫度變化而改變。當溫度升高

，Vf會降低
，在二極管升溫的同時降低了熱擴散。但非常不幸的是，Irhuisuizheerjiguanwendushenggaoerzengjia。suoyi，erjiguanwenduyuegao
，loudianliujiuyueduo，neibugonghaojiuyueduo

，zheyangjiushideerjiguanwendugenggao
，congerzaicizengjialoudianliu，rucixunhuan。

　　如果堅持采用基本的非同步直流/直流轉換器的設計案例，不妨做一個基本分析以確定二極管內部功耗和由此導致的設備溫度。直流/直流轉換器的運行占空比與電壓輸入輸出的比值直接相關(DC=Vout/Vin)。電壓輸入和輸出的比值越低，T2的時間就越長
，PT2對整個二極管的功耗影響也就越大。反之亦然，T1越長(或和的比值越高)

，PT2對總功耗的影響就越小，PT1的作用就越大。

　　以兩個直流/直流轉換器為例，兩個都是24V輸入電壓，但其中一個是18V輸出電壓而另一個是5V。使用Vin和Vout的比值計算得到占空比，並且使用數據表中的Vf和Ir值計算出二極管內總功率的損失。然後根據總功耗計算出由此導致的二極管溫度，並查找在此溫度下的Vf和Ir實際數值。最後根據新的二極管溫度重新算出內部功耗。這個迭代過程可以重複多次以提高精確度

，但如果隻想大致表明Vf和Ir的不同取舍所產生的影響，單次迭代就足夠了。

　　設備溫度可使用描述熱性質的基本熱方程計算，和用於描述電壓

，電流
，電阻的計算並無不同。一旦知道了設備的內部功耗(Ptot)，就可以用它乘以結點到環境的熱阻(Rtja)，計算出設備結點處的溫度變化。把它加上環境溫度，就得到了該設備在此功耗和環境溫度下的最終結點溫度。

　　圖2表示的是分析結果。此例中的計算使用了PMEG3050BEP(優化為低Ir)和PMEG3050EP(優化為低Vf)二極管。輸出電流範圍為1~3A。這裏比較了低Vf型和低Ir型二極管的溫度。初始溫度假定為25℃。圖中同時給出了Ta(第一次傳遞溫度計算)和Tb(第二次傳遞)。左側是5V輸出的直流/直流轉換器的結果，右側是18V輸出的直流/直流轉換器(兩者的輸入電壓都是24V)。計算時假定Rtja采用基本的200K/W，然後根據占空比進行調節。肖特基二極管的數據表給出了瞬時熱效應曲線
，允許設計者根據具體的脈衝占空比(短暫脈衝電流的熱效應要優於連續電流)決定實際的熱阻。請注意，任何應用中的二極管總熱阻取決於很多因素
，布局是其中較為重要的一個。

　　圖2：兩個直流/直流轉換器的分析結果

　　在圖2中可以發現

，在上述兩種情況中，在第二次溫度傳遞Tb時，低Vf的二極管開始變熱。其中的原理是

，在電流一定的情況下
，二極管因在T2時產生損耗而變熱。隨著二極管溫度升高，漏電流If增加，正向電壓Vf減少。然而，增加的速度遠高於減少的速度。其結果就是二極管內的總功耗增加較快。在較高的輸出電流下PT2也較高，使得PT1增加較快
，所以在高電流下斜率較為陡峭。

　　同樣，從中也能看到輸入輸出電壓比的效果。左側顯示的是5V輸出、低占空比直流/直流轉換器。占空比較低意味著T2較長，PT2就更多。因此，較多的初始熱量導致Ir增加更快
，PT1genggao。zuizhongjieguojiushisuizheshuchudianliuzengjia

，erjiguanwenduxunsushangsheng。zaijiaogaodedianliuxia
，keyikandaoshishishangwenduyichaochulezhidingfanweizhiwai。youcexianshijiaogaode18V輸出電壓導致更高的占空比
，從而抑製了PT2。二極管內較少的發熱量意味著Ir增加較少，因此，PT1和總體溫度也都增加較少。

　　可以得出結論
，占空比越高(或者說輸出電壓和輸入電壓越接近)，二極管的熱效應就越佳。例如，如果如前述計算，12V到2.5V的轉換器要比12V到5V的轉換器更能加重二極管的負擔。

　　熱逃逸

　　以(yi)上(shang)討(tao)論(lun)的(de)隨(sui)溫(wen)度(du)升(sheng)高(gao)而(er)增(zeng)加(jia)的(de)效(xiao)應(ying)會(hui)帶(dai)來(lai)一(yi)個(ge)普(pu)遍(bian)問(wen)題(ti)，叫(jiao)作(zuo)熱(re)逃(tao)逸(yi)。升(sheng)高(gao)的(de)溫(wen)度(du)會(hui)導(dao)致(zhi)溫(wen)度(du)進(jin)一(yi)步(bu)升(sheng)高(gao)，直(zhi)到(dao)部(bu)件(jian)損(sun)壞(huai)。因(yin)此(ci)，強(qiang)烈(lie)建(jian)議(yi)在(zai)所(suo)有(you)設(she)計(ji)中(zhong)徹(che)底(di)檢(jian)查(zha)此(ci)現(xian)象(xiang)。

　　muqianchangjiandezuofashiduigonghaoshejijinxingmoniyunxing。keyishiyongbiaozhundemonigongju，yekeshiyongwangshangchangyongdemonigongju。zaixijianzharexiaoyingshifeichangbiyaode。duiyudasuanshiyongdeerjiguan，jiyoukenengsuoshiyongdegongjubingweicaiyongzhengquederemoxing，huozheqirecanshu(很可能和布局相關)與設計不相符合。很顯然

，並非每個二極管都一模一樣，因而絕對不讚同在模擬設計時使用“相似”的二極管，然後假定它們的熱效應(以及潛在的電效應)也相似。雖然並非總是可行，但在此仍然建議始終製作原型並驗證其正確效應。