从基础到实践（七）：二极管选型注意事项

一、应用需求的深度分析

1. 电路拓扑与二极管角色

   • 整流电路：工频整流（如桥式整流）需关注 浪涌电流（如电容输入滤波导致的电流冲击）。

   • 续流二极管（在电感负载中）：需 快速关断（防止反向恢复电流损坏开关器件，如MOSFET）。

   • 电平转换：小信号二极管（如1N4148）需低结电容和快速响应。

2. 极端工况考虑

   • 汽车电子：需满足 AEC-Q101认证（耐高温、抗振动、长寿命）。

   • 工业环境：抗电磁干扰（EMI）能力，如TVS二极管抑制EFT/Burst。

   • 航天/军工：抗辐射加固、超宽温范围（-55℃~175℃）。

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二、关键电气参数的深入解读

1. 正向特性

• Vf的温度依赖性

  • 肖特基二极管：Vf随温度升高而 降低（负温度系数），可能导致并联时电流不均衡。

  • 硅二极管（如1N4007）：Vf随温度升高而 轻微上升。

  • 设计技巧：高温场景需重新计算Vf对功耗的影响（例如：150℃时Vf可能下降20%）。

• 浪涌电流（IFSM）

  • 整流二极管需承受开机瞬间的电容充电电流（如10倍额定电流）。

  • 选型公式：IFSM > 实际浪涌电流 × 安全系数（1.5~2）。

2. 反向特性

• 雪崩能量（EAS）

  • 部分二极管允许 单次雪崩击穿（如瞬态过压），但重复击穿会损坏器件。

  • TVS二极管需关注 钳位电压（Vc） 与 峰值脉冲电流（IPP） 的曲线。

• 反向恢复电荷（Qrr）

  • 影响开关损耗：Qrr越大，关断时的能量损耗越高（公式：E = 0.5 × Vr × Qrr）。

  • 快恢复二极管（如FR207）：Qrr ≈ 50nC； 超快恢复二极管（如UF4007）：Qrr < 30nC。

3. 动态特性

• 结电容（Cj）的频响影响

  • 高频应用（如射频开关）：Cj会导致信号衰减和相位偏移。以及在高速信号中的静电管，结电容会影响信号质量，如眼图等。

  • 示例：PIN二极管在1GHz时，Cj需 < 1pF（如SMP1320-079LF）。

• 反向恢复时间（Trr）的测试条件

  • 数据手册中的Trr通常基于特定测试条件（如IF=1A, di/dt=100A/μs）。实际电路中的di/dt不同时，Trr可能变化。

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三、二极管类型的扩展选型

类型	子类	典型型号	关键差异
肖特基二极管	单管	SS16（1A/60V）	低压降，但漏电流较大（100μA级）
	双管（共阴/共阳）	BAT54C（SOT-23）	节省PCB空间，适合逻辑电路
TVS二极管	单向	SMAJ5.0A	仅钳位正向浪涌
	双向	SMAJ5.0CA	同时抑制正负浪涌（如RS-485防护）
齐纳二极管	普通稳压	BZX55C5V1（5.1V）	精度±5%
	精密稳压	LM4040	精度±0.1%，低温度系数（10ppm/℃）
整流桥	单相桥	GBU808（8A/800V）	集成4颗二极管，简化布局
	三相桥	26MT160	用于电机驱动、工业电源

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四、热设计与失效分析的实战技巧

1. 热阻的详细计算

   • 总热阻公式：Rθ_total = Rθj-c（结到壳） + Rθc-s（壳到散热器） + Rθs-a（散热器到环境）。

   • 示例：若Rθj-a=50℃/W，环境温度Ta=50℃，允许结温Tj=150℃，则最大允许功耗：P_max = (Tj - Ta)/Rθj-a = (150-50)/50 = 2W。

2. 散热设计误区

   • 误区1：忽略PCB铜箔散热能力（如2oz铜箔的Rθ≈20℃/W per cm²）。

   • 误区2：散热器与二极管接触面未涂导热硅脂，导致接触热阻增加3~5倍。

3. 常见失效模式

   • 热击穿：因散热不足导致结温超过极限值（如Tj>175℃）。

   • 电过应力（EOS）：反向电压超过Vr导致永久性击穿（如雷击未加TVS）。

   • 闩锁效应：某些二极管在高温+高压下发生不可逆导通。

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五、行业标准与测试要求

1. 关键认证

   • AEC-Q101：汽车级二极管必过测试（如温度循环、HAST高加速寿命试验）。

   • IEC 61000-4-5：浪涌抗扰度测试（如8/20μs波形，4kV测试电压）。

   • MIL-STD-883：军用级可靠性测试（抗振动、盐雾、辐射）。

2. 厂商参数对比技巧

   • Vf一致性：同一批次二极管的Vf差异应 < ±5%（影响并联均流）。

   • 数据手册隐藏参数：如肖特基的“反向恢复时间”可能标注为“可忽略”，但实际存在微小振荡。

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六、实际设计案例

案例1：高频DC-DC降压电路选型

• 需求：输入12V，输出5V/3A，开关频率500kHz，效率>90%。

• 选型步骤：

  1. 续流二极管需低压降+快恢复：选肖特基（如SS34，Vf=0.5V@3A）。

  2. 计算损耗：P_loss = Vf × I_avg = 0.5V × 3A × (1-D) ≈ 0.5×3×0.6=0.9W（D为占空比）。

  3. 热设计：TO-252封装（Rθj-a=50℃/W），环境温度60℃时，温升ΔT=0.9W×50=45℃，结温Tj=60+45=105℃（安全）。

案例2：RS-485接口保护设计

• 需求：防护±15kV ESD和雷击感应浪涌。

• 选型步骤：

  1. 选用双向TVS（如SMBJ6.5CA，Vc=10V@IPP=20A）。

  2. 配合GDT（气体放电管）分级防护，泄放大电流。

  3. PCB布局：TVS靠近接口，走线短直，避免引入寄生电感。

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七、选型工具与资源

1. 厂商选型工具

   • Vishay：在线参数筛选工具（支持Vr、If、封装等多条件过滤）。

   • Diodes Inc.：提供SPICE模型供仿真验证。

2. 热仿真软件

   • Ansys Icepak、COMSOL：精确计算二极管温升。

   • 免费工具：LTspice（简单热模型搭建）。

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八、进阶注意事项

1. 高频寄生参数

   • 二极管的引线电感（≈5nH/mm）会导致电压尖峰，需采用短引脚或贴片封装。

   • 示例：1nH电感在10A/μs的di/dt下产生电压尖峰V = L×di/dt = 1nH×10A/1μs = 10V！

2. 成本优化技巧

   • 国产替代：如扬杰科技（YJ系列肖特基）替代ON Semi的MBR系列。

   • 二极管的降额曲线：在低温环境下可适当超规格使用（需厂商确认）。