如何避免二极管过载损坏

时间:2017-09-06 17:17来源:21Dianyuan

摘要:二极管作为一种基础电子元器件,所有工程师都知道其具有单向导电性。

二极管作为一种基础电子元器件,所有工程师都知道其具有单向导电性。根据半导体材料分类,可分为硅二极管和锗二极管;根据据应用场合分类,可分为整流二极管、检波二极管、开关二极管和稳压二极管。不论怎么分,二极管有一个参数十分重要,会直接影响到晶体管是否会因过载损坏。
耗散功率
耗散功率也称集电极最大允许耗散功率 PCM,是指晶体管参数变化不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率。是某一时刻电网元件或者全网有功输入总功率与有功输出总功率的差值。在线性条件下,导通的耗散功率计算比较简单,PD=I2R,或者 PD=U2/R;而在开关状态下,计算相对比较复杂。
二极管的耗散功率与允许的节温有关,硅二极管允许的最大节温是 150℃,而锗允许最大节温  85℃ 。半导体工作温度是有限的,当实际的功率增大是,其节温也将变大,当节温达到 150℃  是,此时的功率就是最大的耗散功率。当然,耗散功率与封装大小也有一定的关系,通常封装大点的器件,其最大耗散功率也相对大点,最常见的就是大功率器件拥有大体积,大面积的散热金属面。
一个具体型号的二极管其耗散功率与测试条件有关,比如测试环境温度和散热条件。通常情况下,测试出来的最大耗散功率是在 25℃ 下。随着环境温度的升高,其最大的耗散功率将减少,因为该条件下的导热温差变小,比如说在 25℃ 下,某二极管耗散功率能达到 1W,在 75℃ 情况下,耗散功率可能变成 0.4W 。允许最大耗散功率与散热条件有关,散热条件越好,耗散功率越高,在同一环境温度下,耗散功率为 1W,加了散热片之后,耗散功率可能变为 1.7W 。
表征散热措施的一个参数是热阻。热阻反映阻止热量传递能力的综合参量。热阻跟电子学里的电阻类似,都是反映“阻止能力”大小的参考量。热阻越小,传热能力越强;反之,热阻越大,传热能力越小。从类比的角度来看,热量相当于电流,温差相当于电压,热阻相当于电阻。其中,热阻  Rja:芯片的热源结到周围冷却空气的总热阻,其单位是 ℃/W,表示在 1W 下,导热两端的温差。
以 1N4448HWS 为例,查看其手机手册,可知其热特性如下:
从中可知,其耗散功率 PD=200mW,热阻为 625℃/W,其中这两个量是环境温度 25℃,焊在  FR-4 材质  PCB 条件下测试的,如手册说明 Part mounted on FR-4 PC board with recommended layout  。
耗散功率与环境温度有关,温度越大,耗散功率越小, 1N4448HWS 耗散功率与环境温度关系如下:
 
在 0~25℃ 是,耗散功率恒为 200mW,在 25~150℃ 时,线性递减,到达 150℃,耗散功率为0,在这个温度,硅管已经不能工作了。从这个表中,可以计算出热阻,其线性部分斜率倒数:
|1/k|=Rja=(150-25)/0.2=625℃/W
根据这个表,可得:
PD=-1/625(TA-25)+0.2,(TA-≥25)
根据这个公式,可计算出不同环境温度下最大的耗散功率。
在设计过程中,人们更关注器件工作时的温度,以确保在安全的工作范围。以 1N4448HWS 为例,在环境温度为 25℃ 情况下,实际功率为 100mW 时,其温度为 25+625*0.1=87.5℃,其能正常工作;当实际功率为 200mW 时,其温度为 25+625*0.2=150℃,这时候已经达到节温的最大温度了,比较危险,应当避免。
二极管的传热方面,主要考虑 PD 和热阻 Rja,前者是最大耗散功率,实际工作不能超过这个数值,后者是传热阻力参量,放映不同二极管的传热能力。在使用二极管时,不但要考虑正向电流、反向耐压和开关时间,还应该考虑到耗散功率。
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