最近遇到了稳压二极管漏电流偏大的案例,问题还在持续分析中,借助这个由头,总结下稳压二极管方面的基础知识。(图片来源于 VISHAY 官网)

 

 

稳压二极管的工作原理

定义:稳压二极管,英文名称 Zener diode,又叫齐纳二极管;稳压二极管是二极管中的一种,由硅材料制成,也是一个 PN 结,但是由于制造工艺不同,当这种 PN 结处于反向击穿状态时,PN 结不会损坏,并且当电流在一定范围变化时,稳压值几乎不变;稳压二极管就是利用这种反向击穿特性。(图片来源于 VISHAY 官网)

 

 

进一步地,稳压值在 4V 以下的管子属于齐纳击穿(可恢复),为负温度系数;而稳压值在 7V 以上的管子属于雪崩击穿(也可恢复),为正温度系数;4V~7V 之间的稳压管,温度系数非常小,齐纳击穿与雪崩击穿可能都存在;稳压管在正向导通时为负温度系数。(关于电压划分的边界值,说法并不统一,有 5V 的、有 6V 的,不过基本都很接近)

 

 

下图为稳压管的伏安曲线,可以分为 4 个区域。

 

正向导通区域与普通二极管特性相同,PN 结正向偏置。

 

当施加反向电压在稳压管两端,电压 VR 由 0 逐渐增大,就进入了截止区域,这个区域中稳压管不工作,会存在很小的漏电流 IR。

 

当反向电压增加到 VBR 后,稳压管的漏电流开始迅速增大,稳压管开始进入了击穿区域;反向电压达到 VZ 后,即使大幅度增加反向电流(从 IZT 到 IZM),稳压值却变化很小(VZ 到 VZM),这个就是我们想要的稳压状态。

 

继续增大反向电压超过 VZM 后,稳压管上面的功率会出现超出最大限制值,进而结温过高而烧毁。

 

 

上面是科普文章中都会介绍的基本原理,在 BMS 中主要有如下几个地方应用稳压管。

BMS 上面应用稳压管的地方

电压基准源

例如大家熟悉的 ADR504X 系列,基本原理就是稳压管击穿后稳压。

 

 

需要注意的是,这里的应用场景需要稳压管持续工作在击穿状态,而且电压变化不能很大,以提供一个几乎恒定的基准电压,这就要求 ADR504X 工作在一定的电流区间内(50uA~15mA),电流太大了会烧毁稳压管;电流太小了电压值不稳定,稍微电流值有点变化,就会导致稳压值跳动;而且还要考虑负载的大小以及外部供电电压的大小,折中选取一个符合要求的限流电阻。

 

 

MOS 管或 MCU 输入保护

这种用法就比较常见了,MOS 管的栅极 - 源极之间为了防止过压而并联一个稳压管,如下图所示;在单板正常工作时这个稳压管是处在反向截止状态下的,只有出现异常浪涌电压时,稳压管才会被击穿,将栅极 - 源极之间电压钳位住。

 

 

还有就是主控板上单片机的 AD 口或 IO 口处,会放置一个稳压管作保护。

 

因为这些场景下的保护,不需要稳压管击穿后的电压多么稳定,只要不超过被保护器件的极限电压即可,所以稳压管前面的限流电阻在选取时,大小其实大家都没怎么仔细关注,有点凭感觉的哈。

 

AFE 的输入防护电路

这个用法也是很常见的,例如 ADI 早期的 LTC68XX 系列的 AFE,基本都会建议在采样通道上面并联一个稳压管,来实现热插拔的防护;这里的稳压管不仅实现了电压钳位,而且也有分流功能,让一部分本来需要从 AFE 内部流过的电流,而从稳压管流过,降低了内部烧毁的风险。

 

 

目前很多厂家的 AFE 都不需要增加这个稳压管了,而且我们从成本出发也是不想加,不过这个稳压管的防护作用是真实存在的;我之前体会过它的重要性,在某个应用下,没有这个稳压管的话,AFE 就很容易热插拔烧毁,你会听到细小断裂的声音,然后就冒烟了。