電源設計指南:齊納二極體的穩壓與模擬

作者 : Power Electronics News編輯團隊

齊納二極體是使電壓穩定至最佳的元器件。可惜的是,它無法提供大電流,但在為後續功率級提供精確電壓基準時非常有用。所有電路均是通過精確的數學公式來調整的,齊納二極體的應用條件計算也遵循這個規則。

齊納二極體(Zener diode)在正向偏置時的行為類似於具有PN接面的一般矽二極體,可讓電流從陽極流向陰極。但在反向偏置時,齊納二極體並不像一般二極體那樣地阻止電流流動,而是在達到一定的反向電壓閾值時開始導通,讓反向電流流過。

當施加到齊納二極體的反向電壓超過其典型極限閾值時,將會在半導體的空乏區發生稱為雪崩擊穿的過程,二極體接著產生電流以限制電壓的升高。在此過程中,電荷經由自由電子與相鄰原子的碰撞而產生,並伴隨產生熱量,而可能對元件造成不可逆轉的損壞。

然而,如果二極體的空乏區極薄且高摻雜,則可能由於接面中出現強度電場而產生反向電流。這個過程稱為齊納擊穿(如圖1所示),它是可逆的,而且不會損壞二極體。在圖中的水平軸上,齊納二極體電壓開始變得穩定的點稱為齊納電壓(VZ),其值可以在幾伏(V)至幾百伏之間。在摻雜以及二極體製造過程中,可以小於1%的容差,小心地控制導通曲線的斜率以及觸發該過程的最小反向電流值。

Typical I-V characteristics of a Zener diode

1:齊納二極體的典型I-V特性。

齊納穩壓器

齊納二極體所具有的電壓穩定度(電源)比橋式整流電路和濾波電容器要高得多。尤其當半導體摻雜濃度恰當時,甚至可以實現齊納擊穿曲線(如圖1)的斜率垂直,從而獲得穩定的電壓;隨著輸入電壓的變化,波紋幾乎可以忽略不計。圖2顯示了最簡單的齊納穩壓器原理圖。這裡採用了VZ = 12V的齊納二極體;串聯電阻R的值可以透過圖中所示的公式確定,其中Vi是輸入電壓,Vo是穩定的輸出電壓(12V),IL是負載吸收的電流。

Voltage regulator with Zener diode

2:齊納二極體穩壓器。

在空載時,IL = 0,電路中的所有電流都將流過齊納二極體,從而耗散最大功率。因此,必須按照指示謹慎選擇串聯電阻的值,以免超過空載時齊納二極體所能承受的最大功率。該電路能夠產生幾十毫安培(mA)的電流,通常用於極化電晶體的基極,或作為運算放大器的輸入,以獲得較高的電流值。圖3顯示了能夠擴大負載吸收功率的電晶體並聯穩壓器。輸出電壓VO由下式給出:VO = VZ + VBE

Shunt regulator with Zener diode and transistor

圖3:帶有齊納二極體和電晶體的並聯穩壓器。

標準齊納電壓

市場上常見的齊納二極體電壓範圍從1V到幾百伏都有。每個電壓值通常都有一個或多個功率值,從略低於0.5W到5W以上。最常見的齊納二極體產品是小訊號系列BZX55,其VZ電壓範圍在2.4V至75V之間,最大功率為500mW。齊納功率二極體BZX85系列也得到廣泛應用,其VZ電壓在2.7V至100V之間,最大功率為1300mW。

帶齊納二極體的串聯穩壓器

圖4為最簡單的齊納二極體串聯穩壓器示例。其中連接的電晶體作為電壓隨耦器,輸出電壓比齊納電壓低約0.6V至0.7V。電阻R的大小必須經過精確調整,使齊納二極體能正確極化,並且Q1的基極電流足以使其導通。為了防止齊納二極體上的電流值下降至無法相容於齊納效應,可以用達林頓(Darlington)電晶體代替低功率電晶體2N2222。

Series regulator with Zener diode and transistor

4:帶齊納二極體和電晶體的串聯穩壓器。

接下來談談齊納二極體的一些工作流程。

與典型的二極體一樣,齊納二極體看起來像一個小圓柱體,兩端的兩個端子用於連接或焊接到電路上。它同時也是一個極化元件,具有一個陽極(正)和一個陰極(負)。

在齊納二極體管體上靠近陰極或負極端子的位置通常印有色帶。當然,在電子原理圖中,齊納二極體也與一般的二極體不同。它的符號與二極體非常相似,但為了區分而增加了兩條細線。齊納二極體主要使用的軟體為LTspice,這是一款高性能的SPICE模擬軟體、原理圖擷取以及波形檢視器,具有簡化類比電路模擬的增強功能和模型。

齊納二極體

如同一般的二極體一樣,齊納二極體如果直接極化會導通;但與其不同的是,反極化時齊納二極體也會導通,但僅在超過電壓閾值(Vz)時才會導通。在電路中,它被反極化,以利用其超過一定電壓值才導通的特性。齊納二極體的這種特性讓各種執行該項特定功能的情況都可加以利用。

現在我們來熟悉一下齊納二極體的一般工作原理。圖5所示為半導體(12V的EDZV12B)被直接極化的簡單電路原理圖。在0V至20V之間對DC類型進行的模擬顯示電阻R1上的輸出電壓取決於電池電壓。主曲線圖和曲線圖a證實了陰極和陽極之間的恒定壓差約為0.833V (接面電壓)。當陽極上的電壓大於0.8V時,壓差開始恒定(圖表b)。

Simulation of a Zener in direct mode

5:正向模式下的齊納模擬

圖6所示為半導體(同樣是12V的EDZV12B)被反極化的簡單電路原理圖。在0V至20V之間對DC類型進行的模擬顯示電阻R1上的輸出電壓取決於電池電壓。當然,在這種模式下,一般的二極體不會導電。但對於齊納二極體,如果反向電壓超過某個閾值(在此為12V),它將開始導電。例如,如果電池電壓為18V,則電阻上的電壓為6V (18–12)。

Simulation of a Zener in reverse mode

6:反向模式下的齊納模擬。

齊納二極體穩壓器 

我們知道,反極化的齊納二極體導通時涉及一個固定電壓Vz。例如,如果一個12V齊納二極體上的電壓始終為12V,無論電源電壓多少,都可以將齊納二極體用作穩壓器。這是齊納二極體的主要用途之一,即作為具有固定電壓值的穩壓器,固定電壓可用於需要固定參考電壓和為固定電源電壓供電的電路。圖7中採用了相同電壓的齊納二極體產生12V電源,非常完美地展現了齊納二極體如何用作穩壓器。該二極體前面有一個電阻用於限制電流,可透過精確計算得出阻值。從圖中可以看出,當電池電壓超過12V時,電源開始工作。對於較低的電池電壓,二極體的接面壓差始終為0.8V。

A general schematic of the Zener diode as regulator

7:齊納二極體用作穩壓器的一般原理圖

圖8中的圖表顯示了R1和D1上的電流隨電池輸入電壓變化的情況(右側為比例尺)。設計人員必須始終精確計算這些值,即使在最壞情況下也需要。事實上,齊納二極體是適用於低電流的小型元件。

The currents on R1 and D1

8R1D1上的電流。

結論

齊納二極體是使電壓穩定至最佳化的元件。遺憾的是,它無法提供大電流,但在為後續功率級提供精確電壓基準時非常有幫助。所有的電路都是透過精確的數學公式加以調節的,齊納二極體的應用條件計算也遵循這個規則。

(本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年9月號;參考原文: Power Supply Design Notes: Zener Diode Voltage Regulator; Simulating a Zener Diode)

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