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技術支招:如何避免二極管過載損壞

發布時間:2017-09-08 責任編輯:susan

【導讀】二極管作為一種基礎電子元器件,所有工程師都知道其具有單向導電性。根據半導體材料分類,可分為硅二極管和鍺二極管;根據據應用場合分類,可分為整流二極管、檢波二極管、開關二極管和穩壓二極管。不論怎么分,二極管有一個參數十分重要,會直接影響到晶體管是否會因過載損壞。
 
耗散功率
 
耗散功率也稱集電極最大允許耗散功率PCM,是指晶體管參數變化不超過規定允許值時的最大集電極耗散功率。是某一時刻電網元件或者全網有功輸入總功率與有功輸出總功率的差值。在線性條件下,導通的耗散功率計算比較簡單,PD=I2R,或者PD=U2/R;而在開關狀態下,計算相對比較復雜。
 
二極管的耗散功率與允許的節溫有關,硅二極管允許的最大節溫是150℃,而鍺允許最大節溫85℃。半導體工作溫度是有限的,當實際的功率增大是,其節溫也將變大,當節溫達到150℃是,此時的功率就是最大的耗散功率。當然,耗散功率與封裝大小也有一定的關系,通常封裝大點的器件,其最大耗散功率也相對大點,最常見的就是大功率器件擁有大體積,大面積的散熱金屬面。
 
 
一個具體型號的二極管其耗散功率與測試條件有關,比如測試環境溫度和散熱條件。通常情況下,測試出來的最大耗散功率是在25℃下。隨著環境溫度的升高,其最大的耗散功率將減少,因為該條件下的導熱溫差變小,比如說在25℃下,某二極管耗散功率能達到1W,在75℃情況下,耗散功率可能變成0.4W。允許最大耗散功率與散熱條件有關,散熱條件越好,耗散功率越高,在同一環境溫度下,耗散功率為1W,加了散熱片之后,耗散功率可能變為1.7W。
 
表征散熱措施的一個參數是熱阻。熱阻反映阻止熱量傳遞能力的綜合參量。熱阻跟電子學里的電阻類似,都是反映“阻止能力”大小的參考量。熱阻越小,傳熱能力越強;反之,熱阻越大,傳熱能力越小。從類比的角度來看,熱量相當于電流,溫差相當于電壓,熱阻相當于電阻。其中,熱阻Rja:芯片的熱源結到周圍冷卻空氣的總熱阻,其單位是℃/W,表示在1W下,導熱兩端的溫差。
 
以1N4448HWS為例,查看其手機手冊,可知其熱特性如下:
 
 
從中可知,其耗散功率PD=200mW,熱阻為625℃/W,其中這兩個量是環境溫度25℃,焊在FR-4材質 PCB條件下測試的,如手冊說明Part mounted on FR-4 PC board with recommended layout 。
 
耗散功率與環境溫度有關,溫度越大,耗散功率越小,1N4448HWS耗散功率與環境溫度關系如下:
 
 
在0~25℃是,耗散功率恒為200mW,在25~150℃時,線性遞減,到達150℃,耗散功率為0,在這個溫度,硅管已經不能工作了。從這個表中,可以計算出熱阻,其線性部分斜率倒數:
 
|1/k|=Rja=(150-25)/0.2=625℃/W
 
根據這個表,可得:
 
PD=-1/625(TA-25)+0.2,(TA-≥25)
 
根據這個公式,可計算出不同環境溫度下最大的耗散功率。
 
在設計過程中,人們更關注器件工作時的溫度,以確保在安全的工作范圍。以1N4448HWS為例,在環境溫度為25℃情況下,實際功率為100mW時,其溫度為25+625*0.1=87.5℃,其能正常工作;當實際功率為200mW時,其溫度為25+625*0.2=150℃,這時候已經達到節溫的最大溫度了,比較危險,應當避免。
 
二極管的傳熱方面,主要考慮PD和熱阻Rja,前者是最大耗散功率,實際工作不能超過這個數值,后者是傳熱阻力參量,放映不同二極管的傳熱能力。在使用二極管時,不但要考慮正向電流、反向耐壓和開關時間,還應該考慮到耗散功率。
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