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工程師們二極管的耗散功率同樣不容忽視
發(fā)布時(shí)間:2016-11-08 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】眾所周知,二極管具有單線導(dǎo)電性。根據(jù)半導(dǎo)體材料,分為硅二極管和鍺二極管;據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合,分為整流二極管、檢波二極管、開關(guān)二極管和穩(wěn)壓二極管。根據(jù)應(yīng)用的場(chǎng)合,工程師們更關(guān)注二極管的類型、正向電流、反向耐壓和開關(guān)時(shí)間等。相對(duì)來說,耗散功率(Power Dissipation)也是同等重要。
圖1 常見二極管
對(duì)于一些場(chǎng)合,比如電源整流,需要考慮耗散功率問題。耗散功率的定義:某一時(shí)刻電網(wǎng)元件或者全網(wǎng)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(dǎo)通的耗散功率計(jì)算比較簡(jiǎn)單,PD=I2R,或者PD=U2/R。在開關(guān)狀態(tài)下,計(jì)算相對(duì)比較復(fù)雜。
二極管的耗散功率與允許的節(jié)溫有關(guān),硅二極管允許的最大節(jié)溫是150℃,而鍺允許最大節(jié)溫85℃。半導(dǎo)體工作溫度是有限的,當(dāng)實(shí)際的功率增大是,其節(jié)溫也將變大,當(dāng)節(jié)溫達(dá)到150℃是,此時(shí)的功率就是最大的耗散功率。當(dāng)然,耗散功率與封裝大小也有一定的關(guān)系,通常封裝大點(diǎn)的器件,其最大耗散功率也相對(duì)大點(diǎn),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(gè)具體型號(hào)的二極管其耗散功率與測(cè)試條件有關(guān),比如測(cè)試環(huán)境溫度和散熱條件。通常情況下,測(cè)試出來的最大耗散功率是在25℃下。隨著環(huán)境溫度的升高,其最大的耗散功率將減少,因?yàn)樵摋l件下的導(dǎo)熱溫差變小,比如說在25℃下,某二極管耗散功率能達(dá)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(guān),散熱條件越好,耗散功率越高,在同一環(huán)境溫度下,耗散功率為1W,加了散熱片之后,耗散功率可能變?yōu)?.7W。
表征散熱措施的一個(gè)參數(shù)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(xué)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(qiáng);反之,熱阻越大,傳熱能力越小。從類比的角度來看,熱量相當(dāng)于電流,溫差相當(dāng)于電壓,熱阻相當(dāng)于電阻。其中,熱阻Rja:芯片的熱源結(jié)到周圍冷卻空氣的總熱阻,其單位是℃/W,表示在1W下,導(dǎo)熱兩端的溫差。
以1N4448HWS為例,查看其手機(jī)手冊(cè),可知其熱特性如下:
圖2 熱特性參數(shù)
從中可知,其耗散功率PD=200mW,熱阻為625℃/W,其中這兩個(gè)量是環(huán)境溫度25℃,焊在FR-4材質(zhì) PCB條件下測(cè)試的,如手冊(cè)說明Part mounted on FR-4 PC board with recommended layout 。
耗散功率與環(huán)境溫度有關(guān),溫度越大,耗散功率越小,1N4448HWS耗散功率與環(huán)境溫度關(guān)系如下:
圖3 耗散功率與環(huán)境溫度關(guān)系
在0~25℃是,耗散功率恒為200mW,在25~150℃時(shí),線性遞減,到達(dá)150℃,耗散功率為0,在這個(gè)溫度,硅管已經(jīng)不能工作了。從這個(gè)表中,可以計(jì)算出熱阻,其線性部分斜率倒數(shù)||=Rja
=625℃/W。根據(jù)這個(gè)表,可得PD=- (TA-25)+0.2,(TA-≥25),根據(jù)這個(gè)公式,可計(jì)算出不同環(huán)境溫度下最大的耗散功率。
在設(shè)計(jì)過程中,人們更關(guān)注器件工作時(shí)的溫度,以確保在安全的工作范圍。以1N4448HWS為例,在環(huán)境溫度為25℃情況下,實(shí)際功率為100mW時(shí),其溫度為25+625*0.1=87.5℃,其能正常工作;當(dāng)實(shí)際功率為200mW時(shí),其溫度為25+625*0.2=150℃,這時(shí)候已經(jīng)達(dá)到節(jié)溫的最大溫度了,比較危險(xiǎn),應(yīng)當(dāng)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(shí)際工作不能超過這個(gè)數(shù)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(shí),不但要考慮正向電流、反向耐壓和開關(guān)時(shí)間,還要多考慮耗散功率。
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