工程師譚軍 發表於 2018-08-31 09:51:58
本文主要是關於二極體壓降的相關介紹，並著重對二極體壓降的原理及其應用進行了詳盡的闡述。
工作原理
晶體二極體為一個由p型半導體和n型半導體形成的pn結，在其界面處兩側形成空間電荷層，並建有自建電場。當不存在外加電壓時，由於pn結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處於電平衡狀態。當外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓範圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0。當外加的反向電壓高到一定程度時，pn結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程，產生大量電子空穴對，產生了數值很大的反向擊穿電流，稱為二極體的擊穿現象。pn結的反向擊穿有齊納擊穿和雪崩擊穿之分。
主要應用
經過多年來科學家們不懈努力，半導體二極體發光的應用已逐步得到推廣，目前發光二極體廣泛應用於各種電子產品的指示燈、光纖通信用光源、各種儀表的指示器以及照明。發光二極體的很多特性是普通發光器件所無法比擬的，主要具有特點有：安全、高效率、環保、壽命長、響應快、體積小、結構牢固。因此，發光二極體是一種符合綠色照明要求的光源 。目前，發光二極體在很多領域得到普遍應用，下面介紹幾點其主要應用：
（1）電子用品中的應用
發光二極體在電子用品中一般用作屏背光源或作顯示、照明應用。從大型的液晶電視、電腦顯示屏到媒體播放器MP3、MP4以及手機等的顯示屏都將發光二極體用作屏背光源 。
（2）汽車以及大型機械中的應用
發光二極體在汽車以及大型機械中得到廣泛應用。汽車以及大型機械設備中的方向燈、車內照明、機械設備儀表照明、大前燈、轉向燈、剎車燈、尾燈等都運用了發光二極體。主要是因為發光二極體的響應快、使用壽命長（一般發光二極體的壽命比汽車以及大型機械壽命長） ［3］ 。
（3）煤礦中的應用
由於發光二極體較普通發光器件具有效率高、能耗小、壽命長、光度強等特點，因此礦工燈以及井下照明等設備使用了發光二極體。雖然還未完全普及，但在不久將得到普遍應用，發光二極體將在煤礦應用中取代普通發光器件 ［3］ 。
（4）城市的裝飾燈
在當今繁華的商業時代，霓虹燈是城市繁華的重要標誌，但霓虹燈存在很多缺點，比如壽命不夠長等。因此，用發光二極體替代霓虹燈有著很多優勢，因為發光二極體與霓虹燈相比除了壽命長，還有節能、驅動和控制簡易、無需維護等特點。發光二極體替代霓虹燈將是照明設備發展的必然結果 。
二極體的管壓降就其本質而言還是一個電阻，只是導通的時候電阻很小，不導通的時候接近無窮大，而導通時候的電阻會分擔一定的電壓，所以叫管壓降。二極體的壓降是0.7V，低於這個電壓二極體是不會導通的，高於這個電壓，則會導通。在規定的正向電流下，二極體的正向電壓降。使二極體能夠導通的正向最低電壓，小電流矽二極體的正向壓降在中等電流水平下，約0.6～0.8 V；鍺二極體約0.2～0.3 V。大功率的矽二極體的正向壓降往往達到1V。
一般來說由於矽管的伏安特性曲線在0.7處很陡，也就是說繼續增加正向電壓會產生很大的電流，換句話說在0.7V左右，隨著電流的增加，電壓的增加幅度很小，仍然可以認為壓降還是0.7V。因為有0.7V的壓降，不可以等同於導線，二極體兩端電壓就是壓降，當二極體導通時這個電壓約為0.7V，當然不是0 。當電流不變化時，可以等同於電阻，其阻值就是0.7V除以電流，但是把它視作一個0.7V的電壓源顯然更合理。從特性曲線來看，正向電壓大於0.7V以後，若繼續增加電壓，電流會急劇增加，實際應用中因為限流電阻的存在這個電流不可能很大。若一個二極體D一個電阻R和一個電源U串聯的話，電流的計算方法是（U-0.7）/R 。
二極體正向壓降與二極體整流同樣實用，它會隨溫度的不同而發生很大變化，從而導致損耗增加，使電源出現容許誤差。
雖然不可能消除損耗，但可以使用二極體來減少某些應用中的容差錯誤。本文將通過三個實例來展示如何達成這一目標。
您可以使用一個電阻器和一個齊納二極體構建一款簡單的低電流穩壓器。這種穩壓器通常適用於非臨界應用，如內部偏置電壓等。一般來說，電路會將輸出電壓的容許誤差控制在約±10%的範圍，但也可能通過串聯一個二極體來改進調節功能。
圖1顯示了在齊納二極體電路中串聯一個二極體，曲線繪製了齊納二極體的不同電壓對應的溫度係數。當穩壓二極體電壓大於4.7V時，溫度係數逐漸變為正數，因此當工作溫度升高時，齊納二極體電壓隨之升高。如果與溫度係數為負值的二極體配對，通過降低二極體正向電壓，齊納二極體增加的電壓會被抵銷，從而消除溫度誤差。
齊納二極體電壓小於4.7V時，對應的溫度係數為負值，串聯一個二極體實際上會增大調節誤差。
圖1：將正溫度係數齊納二極體與負溫度係數二極體串聯可以降低溫度誤差。
例如，7.5V的齊納二極體的溫度係數為+5mV/°C，而傳統二極體（BAT16）的溫度係數在10mA電流下約為-1.6mV/°C。二極體電流非常小時，溫度係數會逐漸變小（-3mV/°C），因此務必在齊納二極體有電流經過時進行檢查。理想的情況是正負溫度係數完全相互抵消，但是這不切實際也沒有必要，簡單的改進便已足夠。在二極體具有高電壓且正溫度係數更高的情況下，可以使用兩個（或兩個以上）二極體改進抵消的效果。
圖2顯示了在工作溫度範圍為25°C~100°C時，在沒有串聯二極體、串聯一個二極體和串聯兩個二極體的情況下，圖1中計算得出的電壓調整偏差與不同齊納二極體輸出電壓的對比情況。圖2中的垂直線顯示增加串聯二極體後，在7.5V輸出電壓下，與溫度相關的誤差可以減少3~5%。
圖2：將一個或多個二極體與電壓值超過4.7V的齊納二極體串聯可以降低電壓調節誤差。
第2個例子中使用了轉換器，該轉換器要求電平移位器向控制電路發送輸出電壓信息。
圖3是一個負輸入到正輸出的反相降壓-升壓電路。控制電路以-V
in
軌為基準，輸出電壓以接地端為基準。為了使控制電路精確調整輸出電壓，電平移位器重建了「FB和-Vin」間的差分「Vout到GND」電壓。在這一實現中，約等於（V
out
- V
be Q1
）/R的電流源從V
out
流向V
in
。電流在較低電阻中流動，重建以-Vin為基準的輸出電壓。增加Q2，配置成二極體，可以恢復Q1產生的Vbe壓降損失。此時，除了與beta相關的小誤差，FB引腳處的電平位移電壓差不多複製了V
out
和GND間的電壓。增加「二極體」Q2的一個好處是可以使Q2的正向電壓和Q1的電壓非常接近，因為流經這兩者的電流幾乎完全一樣。要想獲得與Q2匹配的最佳電壓，應使用與Q1同樣的電阻器。另一個好處是兩個電阻器具有相同的溫度係數，使兩者可以更準確地追蹤彼此的正向電壓。與Vbe變化相關的溫度誤差顯著減少，因為它們彼此相互抵消 （V
FB
~ Vout — V
be Q1
+ V
be Q2
）。將Q1和Q2放在相鄰的位置非常重要，因為這樣兩者就處於相同的溫度下，如有可能，請使用雙電晶體封裝。
圖3：電平移位器用Q2抵消Q1相關的變化。
圖4的第3個示例顯示帶有一組電荷泵級的升壓轉化器，每級「n」向總輸出增加近似「V1」，得到結果 「Vn + 1」。
圖4：電荷泵二極體壓降可以相互抵消。
總輸出電壓的近似值為：
在公式（1）中，可以看出V
n+1
很大程度上由n的倍數決定，但受到二級管正向壓降相關的「誤差項」和電荷泵轉換電容
紋波電壓
的影響，會有所減少。假設所有二極體都是相同類型的，那麼它們的正向電壓等於：V
D1
= V
Da
= V
Db
，得出公式（2）：
公式（2）中，右邊的「誤差項」使輸出電壓低於理想的n+1倍。要改進這點，VDa和VDb使用肖特基二極體，而VD1使用傳統二極體，正向電壓降等於：
V
Da
= V
Db
= V
D1
/2，得出公式（3）：
從公式（3）可以看出，減少二極體壓降相關的誤差項從而進一步增加輸出電壓是可能的。但公式（3）仍然只是一個近似值，輸出電壓增加的概念是有效的。
二極體正向電壓和溫度變化常常會降低電路的性能，但不一定總是如此。這些設計實例展示的方法都有可能抵消或最大程度減小二極體溫度相關的誤差。
關於二極體壓降的相關介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。
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