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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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二极管、三极管展厅
晶体管, LED, 二极管, 高压二极管, 三极管, ...
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。

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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。

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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)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (11/16/2011)
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