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肖特基二极管在电源管理中的应用分析 |
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newmaker |
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任何非同步直流/直流转换器都需要一个所谓的续流二极管。为了优化方案的整体效率，通常倾向于选择低正向电压的肖特基管。很多设计都采用一个转换器设计（网络）工具推荐的二极管。这并非总是二极管的最优选择。更何况，如果设计工具不考虑热性能和漏电流之间的动态变化，则极有可能发生实际性能有别于设计工具的分析或模拟出的结果。本文将探讨一些在选择正确的二极管时应仔细考虑的典型参数，以及如何应用这些参数来快速确定选型的正确与否。
检查损耗
图1给出了非同步直流/直流降压转换器的基本框图。D1是所需的肖特基管。左侧是开关S1闭合时（时间为T1）的电流情况，右侧是开关S1打开时（时间为T2）的电流情况。
图1：非同步直流/直流降压转换器基本框图
当时间为T2时，输出电流（Iout）流经D1。所产生的损耗与D1的正向电压（Vfw）和输出电流直接相关。PT2等于Iout*Vfw。显然，我们希望尽可能降低以控制损耗，减少发热。
T1期间，D1处于阻断状态。唯一的电流是反向电流。此电流相对较弱，并且主要由阻断电压或输入电压Vin决定。T1阶段二极管产生的功耗，称为PT1，大致等于Ir*Vin。
对于任何肖特基二极管，在设计时都存在一个取舍。即此设备要么针对低Vf进行优化，要么针对低Ir进行优化。因此，如果选择低Vf，则Ir就较高，反之亦然。在实际应用设计时，重要的是不仅要观察Vf或Ir的值，还要分析它们在实际操作中会产生什么结果。Vf和Ir都会随温度变化而改变。当温度升高，Vf会降低，在二极管升温的同时降低了热扩散。但非常不幸的是，Ir会随着二极管温度升高而增加。所以，二极管温度越高，漏电流就越多，内部功耗就越多，这样就使得二极管温度更高，从而再次增加漏电流，如此循环。
如果坚持采用基本的非同步直流/直流转换器的设计案例，不妨做一个基本分析以确定二极管内部功耗和由此导致的设备温度。直流/直流转换器的运行占空比与电压输入输出的比值直接相关（DC=Vout/Vin）。电压输入和输出的比值越低，T2的时间就越长，PT2对整个二极管的功耗影响也就越大。反之亦然，T1越长（或和的比值越高），PT2对总功耗的影响就越小，PT1的作用就越大。
以两个直流/直流转换器为例，两个都是24V输入电压，但其中一个是18V输出电压而另一个是5V。使用Vin和Vout的比值计算得到占空比，并且使用数据表中的Vf和Ir值计算出二极管内总功率的损失。然后根据总功耗计算出由此导致的二极管温度，并查找在此温度下的Vf和Ir实际数值。最后根据新的二极管温度重新算出内部功耗。这个迭代过程可以重复多次以提高精确度，但如果只想大致表明Vf和Ir的不同取舍所产生的影响，单次迭代就足够了。
设备温度可使用描述热性质的基本热方程计算，和用于描述电压，电流，电阻的计算并无不同。一旦知道了设备的内部功耗（Ptot），就可以用它乘以结点到环境的热阻（Rtja），计算出设备结点处的温度变化。把它加上环境温度，就得到了该设备在此功耗和环境温度下的最终结点温度。
图2表示的是分析结果。此例中的计算使用了PMEG3050BEP（优化为低Ir）和PMEG3050EP（优化为低Vf）二极管。输出电流范围为1~3A。这里比较了低Vf型和低Ir型二极管的温度。初始温度假定为25℃。图中同时给出了Ta（第一次传递温度计算）和Tb（第二次传递）。左侧是5V输出的直流/直流转换器的结果，右侧是18V输出的直流/直流转换器（两者的输入电压都是24V）。计算时假定Rtja采用基本的200K/W，然后根据占空比进行调节。肖特基二极管的数据表给出了瞬时热效应曲线，允许设计者根据具体的脉冲占空比（短暂脉冲电流的热效应要优于连续电流）决定实际的热阻。请注意，任何应用中的二极管总热阻取决于很多因素，布局是其中较为重要的一个。
图2：两个直流/直流转换器的分析结果
在图2中可以发现，在上述两种情况中，在第二次温度传递Tb时，低Vf的二极管开始变热。其中的原理是，在电流一定的情况下，二极管因在T2时产生损耗而变热。随着二极管温度升高，漏电流If增加，正向电压Vf减少。然而，增加的速度远高于减少的速度。其结果就是二极管内的总功耗增加较快。在较高的输出电流下PT2也较高，使得PT1增加较快，所以在高电流下斜率较为陡峭。
同样，从中也能看到输入输出电压比的效果。左侧显示的是5V输出、低占空比直流/直流转换器。占空比较低意味着T2较长，PT2就更多。因此，较多的初始热量导致Ir增加更快，PT1更高。最终结果就是随着输出电流增加，二极管温度迅速上升。在较高的电流下，可以看到事实上温度已超出了指定范围之外。右侧显示较高的18V输出电压导致更高的占空比，从而抑制了PT2。二极管内较少的发热量意味着Ir增加较少，因此，PT1和总体温度也都增加较少。
可以得出结论，占空比越高（或者说输出电压和输入电压越接近），二极管的热效应就越佳。例如，如果如前述计算，12V到2.5V的转换器要比12V到5V的转换器更能加重二极管的负担。
热逃逸
以上讨论的随温度升高而增加的效应会带来一个普遍问题，叫作热逃逸。升高的温度会导致温度进一步升高，直到部件损坏。因此，强烈建议在所有设计中彻底检查此现象。
目前常见的做法是对功耗设计进行模拟运行。可以使用标准的模拟工具，也可使用网上常用的模拟工具。仔细检查热效应是非常必要的。对于打算使用的二极管，极有可能所使用的工具并未采用正确的热模型，或者其热参数（很可能和布局相关）与设计不相符合。很显然，并非每个二极管都一模一样，因而绝对不赞同在模拟设计时使用“相似”的二极管，然后假定它们的热效应（以及潜在的电效应）也相似。虽然并非总是可行，但在此仍然建议始终制作原型并验证其正确效应。(end)
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(11/16/2011) |
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