- 肖特基二極管的規(guī)格
- 實(shí)用的設(shè)計(jì)推斷
- 熱行為如何影響肖特基二極管的規(guī)格
任何非同步 DC/DC 轉(zhuǎn)換器均需要續(xù)流二極管。肖特基二極管就經(jīng)常被用于實(shí)現(xiàn)此功能，因?yàn)樗休^低正向電壓，可實(shí)現(xiàn)低功耗和高效率。 事實(shí)上，設(shè)計(jì)師經(jīng)常會使用設(shè)計(jì)工具來幫助選擇二極管。
不幸的是，設(shè)計(jì)工具并不總是會考慮到熱行為與泄漏行為之間的相關(guān)性。 這就意味著實(shí)際性能可能會與設(shè)計(jì)工具分析或仿真所預(yù)測的結(jié)果不同。
圖 1 顯示非同步 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖。 在T2 期間，輸出電流 (Iout) 流過肖特基二極管 D1。 產(chǎn)生的損耗與D1的正向電壓 (Vf)和 Iout直接相關(guān)。 T2 (PT2)的功率損耗等于 Iout*Vf。 顯然，Vf需要盡可能地低，以限制損耗，并最大限度地減少熱量的產(chǎn)生。
在 T1 期間，D1 處于關(guān)斷狀態(tài)；唯一流過的電流是反向電流 (Ir)。 此電流相對較低，而且主要由輸入電壓(Vin) 決定。 二極管 (PT1)的功率損耗粗略可用下式計(jì)算：Ir*Vin。
設(shè)計(jì)工程師面臨的挑戰(zhàn)是對每個肖特基二極管在低Vf或者低Ir之間進(jìn)行最優(yōu)化，但是兩者都做到最優(yōu)是不可能的，在選擇要使用的哪種型號的肖特基二極管時，必須要知道Vf和Ir會隨著溫度的變化而變化，當(dāng)溫度升高時，Vf會降低，因此，二極管變熱時，其實(shí)際上的功耗會減少。然而不幸的是，當(dāng)二極管溫度升高時，Ir 通常會增大，所以二極管溫度越高，漏電流和內(nèi)部功耗就會越大。因此，同樣二極管的溫度會變得更高，它的漏電流會進(jìn)一步增大，這樣就形成了惡性循環(huán)。
對兩個24V 輸入DC/DC 轉(zhuǎn)換器的示例進(jìn)行比較，可說明這些影響。 一個具有 18V 輸出，另一個具有 5V。 使用NXP肖特基二極管針對低Ir進(jìn)行優(yōu)化的PMEG3050BEP和針對低Vf進(jìn)行優(yōu)化的 PMEG3050EP。 圖 2是輸出電流從1A增大至3A時每個二極管工作溫度的比較。一般來說，結(jié)溫計(jì)算首先是通過總功耗(Ptot)乘以總的熱阻 (Rthj-a)，得到器件結(jié)點(diǎn)的溫度增加量，然后在加上環(huán)境溫度。在示例中，最初是使用在環(huán)境溫度 25°C條件下的Vf和Ir的數(shù)據(jù)值來計(jì)算肖特基二極管的功率損耗。然而，接下來必須使用計(jì)算出來的更高溫度時的Vf和Ir的值來重新計(jì)算。連續(xù)迭代生成才能得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。從插圖說明來看，第二個迭代遍
數(shù)提供了足夠的精度。第一個迭代遍數(shù)溫度計(jì)算(Ta)和第二個迭代遍數(shù)溫度計(jì)算(Tb)如圖2示。
圖 2 顯示，在第二個迭代遍數(shù)溫度(Tb)時,低Vf 的二極管開始升溫。隨著溫度升高，漏電流(Ir)增大，并且正向電壓(Vf)下降。然而，Ir的增大速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(Vf)下降的速度。結(jié)果，二極管總的功耗明顯增加。 在較高輸出電流時，PT2會更高，PT1增長速度更快，因此增長斜率更加陡峭。
圖 2 還清楚地顯示輸入輸出電壓比。左圖顯示低占空比5 V輸出的D C / D C 轉(zhuǎn)換器。在較低的占空比時，T2的時間較長，功耗也較高。這反過來使二極管更熱，使得Ir增加地更大，因此PT1變得更高?？偟慕Y(jié)果是：在輸出電流增加時，二極管的溫度會很快地升高。在電流較高時，溫度實(shí)際上已經(jīng)超過了二極管規(guī)定的工作范圍。在圖 2 的右側(cè)，較高的輸出電壓18V時，它的占空比也比較高，這使得PT2損耗保持在可控制范圍內(nèi)。二極管上產(chǎn)生的熱量較少，使得Ir增加的幅度較小，因此，PT1會更少，并且整體溫度升高幅度較小。
通常，占空比越高，即輸出電壓越接近輸入電壓，二極管的熱行為就會更加有效。例如，將12V輸入降壓到2.5V輸出，對二極管的應(yīng)力要求會高于將12V 輸入降壓到5V 輸出對二極管的應(yīng)力要求。
實(shí)用的設(shè)計(jì)推斷
運(yùn)行軟件模擬進(jìn)行功率設(shè)計(jì)是常見做法。這篇文章表明，仔細(xì)檢查器件的熱性能是十分有必要的。但是始終有可能存在以下情況：仿真工具沒有對你要使用的二極管使用正確的熱模型進(jìn)行分析或者是受布局強(qiáng)烈影響的熱參數(shù)在給定的設(shè)計(jì)值時與實(shí)際參數(shù)不相符。
此外，這篇文章表明，不同的二極管具有不同的熱行為,因此設(shè)計(jì)師不應(yīng)該模擬表面上相似的二極管進(jìn)行設(shè)計(jì)，并認(rèn)為其熱行為將會相似。所以，我們建議建立原型，而且是被實(shí)驗(yàn)測試所證實(shí)的，而不是只依靠模擬仿真。
