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為什么開(kāi)關(guān)二極管速度不夠快?

MDD辰達(dá)半導(dǎo)體 ? 2025-09-10 10:01 ? 次閱讀
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在電子電路設(shè)計(jì)中,二極管不僅用作整流和限幅,還常常作為開(kāi)關(guān)元件應(yīng)用在高頻和高速電路里。此類二極管被稱為 開(kāi)關(guān)二極管。它們的核心特性是能夠快速完成導(dǎo)通與關(guān)斷,從而不影響電路的工作速度。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,工程師常常發(fā)現(xiàn):二極管在電路中表現(xiàn)出 開(kāi)關(guān)速度不夠快 的問(wèn)題,導(dǎo)致波形畸變、效率下降甚至邏輯錯(cuò)誤。這一現(xiàn)象的背后有多方面的原因。

一、反向恢復(fù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)
二極管在從導(dǎo)通狀態(tài)切換到截止?fàn)顟B(tài)時(shí),需要清除 PN 結(jié)中的少數(shù)載流子,這段過(guò)程就形成了 反向恢復(fù)時(shí)間(trr)。
如果 trr 過(guò)長(zhǎng),在關(guān)斷瞬間會(huì)有額外的反向電流流過(guò),造成電壓波形拖尾。
在高頻應(yīng)用中,這種延遲會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管或邏輯電路誤動(dòng)作,并加大開(kāi)關(guān)損耗。
例如,如果在幾十 MHz 的電源電路中使用了傳統(tǒng)整流二極管(如 1N4007),其 trr 可達(dá)數(shù) μs,遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上電路需求。而高速小信號(hào)二極管(如 1N4148)trr 僅 4ns 左右,適合高頻電路。

二、結(jié)電容過(guò)大
開(kāi)關(guān)二極管的 PN 結(jié)存在寄生電容,尤其是在反向偏置時(shí),電容值隨電壓變化。這種電容會(huì)影響電路的上升/下降沿速度:
結(jié)電容大 → 電路負(fù)載增加 → 信號(hào)邊沿變緩;
高頻下結(jié)電容還會(huì)與電路形成低通效應(yīng),限制帶寬。
因此,在高速數(shù)字或射頻電路中,需要選用結(jié)電容盡可能小的器件。

三、誤用普通整流二極管
在一些電路中,工程師為了降低成本,可能直接使用價(jià)格低廉的整流二極管(如 1N400x 系列)替代高速開(kāi)關(guān)二極管。但整流二極管的設(shè)計(jì)目標(biāo)是承受較高電壓電流,而不是高速切換。它們的 trr 和結(jié)電容遠(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)二極管,結(jié)果就是速度跟不上,導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降或電路效率降低。

四、應(yīng)用環(huán)境限制
電流超標(biāo):當(dāng)工作電流接近甚至超過(guò)額定 If 時(shí),少數(shù)載流子積累增加,關(guān)斷速度變慢。
高溫環(huán)境:溫度升高會(huì)加劇載流子壽命延長(zhǎng),從而增加 trr。
PCB 布局不合理:寄生電感與寄生電容疊加,也會(huì)放大二極管的開(kāi)關(guān)延遲問(wèn)題。

五、解決方案與選型建議
選對(duì)器件
高頻應(yīng)用(>1 MHz):應(yīng)使用高速開(kāi)關(guān)二極管(如 1N4148、BAV99),trr < 4ns;
更高頻應(yīng)用(RF、開(kāi)關(guān)電源二次整流):建議使用 肖特基二極管,其幾乎沒(méi)有反向恢復(fù)時(shí)間。
關(guān)注關(guān)鍵參數(shù)
反向恢復(fù)時(shí)間 trr:越小越快;
結(jié)電容 Cj:越小越適合高速信號(hào);
正向壓降 Vf:過(guò)大時(shí)會(huì)增加功耗和發(fā)熱。
適當(dāng)余量
選型時(shí)電流、電壓要留足 2 倍以上余量,避免因器件過(guò)載導(dǎo)致速度下降。
優(yōu)化 PCB 布局
高頻二極管盡量靠近負(fù)載放置,走線短而寬,降低寄生效應(yīng)。


開(kāi)關(guān)二極管速度不夠快的根本原因,大多來(lái)自 器件本身的特性(trr 大、結(jié)電容大)以及 應(yīng)用不當(dāng)(誤用整流二極管、電流超標(biāo)、溫度過(guò)高)。作為 FAE,我們建議:在選型時(shí)一定要結(jié)合電路頻率和接口特性,重點(diǎn)關(guān)注 反向恢復(fù)時(shí)間和結(jié)電容 兩大指標(biāo),必要時(shí)選用肖特基二極管來(lái)徹底避免恢復(fù)延遲問(wèn)題。只有這樣,才能確保電路在高速應(yīng)用中具備足夠的響應(yīng)速度和可靠性。

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫(xiě)或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點(diǎn)僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場(chǎng)。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習(xí)之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系本站處理。 舉報(bào)投訴
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