肖特基二極管在電源管理中的應(yīng)用分析

任何非同步直流/直流轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)所謂的續(xù)流二極管。為了優(yōu)化方案的整體效率，通常傾向于選擇低正向電壓的肖特基管。很多設(shè)計(jì)都采用一個(gè)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)（網(wǎng)絡(luò)）工具推薦的二極管。這并非總是二極管的最優(yōu)選擇。更何況，如果設(shè)計(jì)工具不考慮熱性能和漏電流之間的動(dòng)態(tài)變化，則極有可能發(fā)生實(shí)際性能有別于設(shè)計(jì)工具的分析或模擬出的結(jié)果。本文將探討一些在選擇正確的二極管時(shí)應(yīng)仔細(xì)考慮的典型參數(shù)，以及如何應(yīng)用這些參數(shù)來快速確定選型的正確與否。

檢查損耗

圖1給出了非同步直流/直流降壓轉(zhuǎn)換器的基本框圖。D1是所需的肖特基管。左側(cè)是開關(guān)S1閉合時(shí)（時(shí)間為T1）的電流情況，右側(cè)是開關(guān)S1打開時(shí)（時(shí)間為T2）的電流情況。

圖1：非同步直流/直流降壓轉(zhuǎn)換器基本框圖

當(dāng)時(shí)間為T2時(shí)，輸出電流（Iout）流經(jīng)D1。所產(chǎn)生的損耗與D1的正向電壓（Vfw）和輸出電流直接相關(guān)。PT2等于Iout*Vfw。顯然，我們希望盡可能降低以控制損耗，減少發(fā)熱。

T1期間，D1處于阻斷狀態(tài)。唯一的電流是反向電流。此電流相對(duì)較弱，并且主要由阻斷電壓或輸入電壓Vin決定。T1階段二極管產(chǎn)生的功耗，稱為PT1，大致等于Ir*Vin。

對(duì)于任何肖特基二極管，在設(shè)計(jì)時(shí)都存在一個(gè)取舍。即此設(shè)備要么針對(duì)低Vf進(jìn)行優(yōu)化，要么針對(duì)低Ir進(jìn)行優(yōu)化。因此，如果選擇低Vf，則Ir就較高，反之亦然。在實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，重要的是不僅要觀察Vf或Ir的值，還要分析它們?cè)趯?shí)際操作中會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果。Vf和Ir都會(huì)隨溫度變化而改變。當(dāng)溫度升高，Vf會(huì)降低，在二極管升溫的同時(shí)降低了熱擴(kuò)散。但非常不幸的是，Ir會(huì)隨著二極管溫度升高而增加。所以，二極管溫度越高，漏電流就越多，內(nèi)部功耗就越多，這樣就使得二極管溫度更高，從而再次增加漏電流，如此循環(huán)。

如果堅(jiān)持采用基本的非同步直流/直流轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)案例，不妨做一個(gè)基本分析以確定二極管內(nèi)部功耗和由此導(dǎo)致的設(shè)備溫度。直流/直流轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行占空比與電壓輸入輸出的比值直接相關(guān)（DC=Vout/Vin）。電壓輸入和輸出的比值越低，T2的時(shí)間就越長(zhǎng)，PT2對(duì)整個(gè)二極管的功耗影響也就越大。反之亦然，T1越長(zhǎng)（或和的比值越高），PT2對(duì)總功耗的影響就越小，PT1的作用就越大。

以兩個(gè)直流/直流轉(zhuǎn)換器為例，兩個(gè)都是24V輸入電壓，但其中一個(gè)是18V輸出電壓而另一個(gè)是5V。使用Vin和Vout的比值計(jì)算得到占空比，并且使用數(shù)據(jù)表中的Vf和Ir值計(jì)算出二極管內(nèi)總功率的損失。然后根據(jù)總功耗計(jì)算出由此導(dǎo)致的二極管溫度，并查找在此溫度下的Vf和Ir實(shí)際數(shù)值。最后根據(jù)新的二極管溫度重新算出內(nèi)部功耗。這個(gè)迭代過程可以重復(fù)多次以提高精確度，但如果只想大致表明Vf和Ir的不同取舍所產(chǎn)生的影響，單次迭代就足夠了。

設(shè)備溫度可使用描述熱性質(zhì)的基本熱方程計(jì)算，和用于描述電壓，電流，電阻的計(jì)算并無不同。一旦知道了設(shè)備的內(nèi)部功耗（Ptot），就可以用它乘以結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻（Rtja），計(jì)算出設(shè)備結(jié)點(diǎn)處的溫度變化。把它加上環(huán)境溫度，就得到了該設(shè)備在此功耗和環(huán)境溫度下的最終結(jié)點(diǎn)溫度。

圖2表示的是分析結(jié)果。此例中的計(jì)算使用了PMEG3050BEP（優(yōu)化為低Ir）和PMEG3050EP（優(yōu)化為低Vf）二極管。輸出電流范圍為1~3A。這里比較了低Vf型和低Ir型二極管的溫度。初始溫度假定為25℃。圖中同時(shí)給出了Ta（第一次傳遞溫度計(jì)算）和Tb（第二次傳遞）。左側(cè)是5V輸出的直流/直流轉(zhuǎn)換器的結(jié)果，右側(cè)是18V輸出的直流/直流轉(zhuǎn)換器（兩者的輸入電壓都是24V）。計(jì)算時(shí)假定Rtja采用基本的200K/W，然后根據(jù)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。肖特基二極管的數(shù)據(jù)表給出了瞬時(shí)熱效應(yīng)曲線，允許設(shè)計(jì)者根據(jù)具體的脈沖占空比（短暫脈沖電流的熱效應(yīng)要優(yōu)于連續(xù)電流）決定實(shí)際的熱阻。請(qǐng)注意，任何應(yīng)用中的二極管總熱阻取決于很多因素，布局是其中較為重要的一個(gè)。

圖2：兩個(gè)直流/直流轉(zhuǎn)換器的分析結(jié)果

在圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在上述兩種情況中，在第二次溫度傳遞Tb時(shí)，低Vf的二極管開始變熱。其中的原理是，在電流一定的情況下，二極管因在T2時(shí)產(chǎn)生損耗而變熱。隨著二極管溫度升高，漏電流If增加，正向電壓Vf減少。然而，增加的速度遠(yuǎn)高于減少的速度。其結(jié)果就是二極管內(nèi)的總功耗增加較快。在較高的輸出電流下PT2也較高，使得PT1增加較快，所以在高電流下斜率較為陡峭。

同樣，從中也能看到輸入輸出電壓比的效果。左側(cè)顯示的是5V輸出、低占空比直流/直流轉(zhuǎn)換器。占空比較低意味著T2較長(zhǎng)，PT2就更多。因此，較多的初始熱量導(dǎo)致Ir增加更快，PT1更高。最終結(jié)果就是隨著輸出電流增加，二極管溫度迅速上升。在較高的電流下，可以看到事實(shí)上溫度已超出了指定范圍之外。右側(cè)顯示較高的18V輸出電壓導(dǎo)致更高的占空比，從而抑制了PT2。二極管內(nèi)較少的發(fā)熱量意味著Ir增加較少，因此，PT1和總體溫度也都增加較少。

可以得出結(jié)論，占空比越高（或者說輸出電壓和輸入電壓越接近），二極管的熱效應(yīng)就越佳。例如，如果如前述計(jì)算，12V到2.5V的轉(zhuǎn)換器要比12V到5V的轉(zhuǎn)換器更能加重二極管的負(fù)擔(dān)。

熱逃逸

以上討論的隨溫度升高而增加的效應(yīng)會(huì)帶來一個(gè)普遍問題，叫作熱逃逸。升高的溫度會(huì)導(dǎo)致溫度進(jìn)一步升高，直到部件損壞。因此，強(qiáng)烈建議在所有設(shè)計(jì)中徹底檢查此現(xiàn)象。

目前常見的做法是對(duì)功耗設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬運(yùn)行。可以使用標(biāo)準(zhǔn)的模擬工具，也可使用網(wǎng)上常用的模擬工具。仔細(xì)檢查熱效應(yīng)是非常必要的。對(duì)于打算使用的二極管，極有可能所使用的工具并未采用正確的熱模型，或者其熱參數(shù)（很可能和布局相關(guān)）與設(shè)計(jì)不相符合。很顯然，并非每個(gè)二極管都一模一樣，因而絕對(duì)不贊同在模擬設(shè)計(jì)時(shí)使用“相似”的二極管，然后假定它們的熱效應(yīng)（以及潛在的電效應(yīng)）也相似。雖然并非總是可行，但在此仍然建議始終制作原型并驗(yàn)證其正確效應(yīng)。

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