硬件工程师必会电路之二极管电路基础详解

二极管是最基本的电路器件，硬件工程师经常使用，但你未必能用对，未必能用好。

二极管是一种基本的电子元器件，具有单向导电性。它由一个PN结组成，其中一个极为正极，另一个极为负极。

二极管电路的应用非常广泛，包括整流、开关、限幅、保护、发光、继流和检波等。可以说是电路系统中最重要的基本元件之一。

二极管最重要的伏安特性曲线

半导体二极管的电流－电压特性曲线。

比如说大家都知道接口部分一般都需要ESD保护，其实TVS瞬变电压抑制二级管用作ESD保护就极为讲究，对于USB3.0, HDMI接口等高速器件，要特别关注TVS管上的结电容参数，一般根据信号速率选取几个pf，如果电容值过大，电路将无法正常工作，但是对于一般的低速接口或者电源管脚，此时可以选择寄生电容值大的TVS管，因为更便宜，控制BOM的成本也是硬件工程师的重要职责，数据手册中结电容如下图一所示。

实际的工程实际中，二极管常用于交流电压转换成直流电压电路中，也常常用来做稳压电路，限幅电路，续流电路，挑几个常见且重要的电流来分析一下。

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*图1 TVS管中结电容的参数情况*

二极管的作用就如同是一个电流的单向门。当二极管的阳极相对于阴极为正电压时，二极管允许电流通过，而当极性相反后，二极管不允许电流通过。

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图2 二极管符号及种类

1. 二极管作用的类比水流模拟
课本中经常将电压比作水压来模拟，同样二极管的功能也可以类似水流来模拟。二极管相对电流就像是一个单向阀门，比如下图的正向偏置时，只要偏置电压超过阈值电压，阀门就会打开，水流可以顺利流下来；对于反向偏置时，阀门无法打开，没有水流流过。

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图3 二极管的类比以及IV曲线

以上，右图是二极管最为重要的IV曲线，基本上用到所有的二极管都需要重点看此图，从上图可以清楚看出，不管二极管的正向电流或者反向电压都不能超过额定值，否则会损坏。

2. 整流二极管

利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。
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图4 AC/DC转换电路简图

3. 续流二极管

在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起续流作用，这个功能非常实用。

在图5中，开关A和开关B分别利用PFET和NFET开关实现，构成一个同步降压调节器。“同步”一词表示将一个FET用作低端开关。用肖特基二极管代替低端开关的降压调节器称为“异步”（或非同步）型。处理低功率时，同步降压调节器更有效，因为 FET 的压降低于肖特基二极管，主要由Rds(on)决定。然而，当电感电流达到0时，如果底部FET未释放，同步转换器的轻载效率会降低，而且额外的控制电路会提高IC的复杂性和成本。肖特基二极管可以用作续流二极管，肖特基的PN结比较特殊，这使它具有非常小的结电容，存储电荷很少，因此这种结具有非常快的开关速度，可以用于高速嵌位。肖特基二极管特长是：开关速度非常快，反向恢复时间特别短。因此，能制作开关二极管低压大电流整流二极管。

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图5 降压稳压器BUCK电路中肖特基二极管的使用

图6中，开关A和B已分别使用内部NFET和外部肖特基二极管，从而形成异步升压调节器。对于需要负载隔离和低关断电流的低功耗应用，可添加外部FET。

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图6 升压调节器BOOST电路中肖特基二极管的使用

顺便提一下，整流MOS管开通，关断所产生的纹波是主要噪声源之一。开关管开通关断都会有一个上升时间和下降时间，在电路中会引起同频的噪声。输出回路的电感也会随着充电放电产生一个噪声，同时也会有漏感产生。而解决办法就是：

 1.用合适的滤波器滤除。 2.在MOS管外加肖特基二极管，反向恢复时间很短，可以降低损耗。

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图7 同步整流器BUCK电路的基本框图

二极管电路总结：

整流：二极管可以用于将交流电转换为直流电。将一个二极管连接到一个交流电源上时，它只允许电流从一个方向流过，即只允许电流从正极流向负极。这种整流效应可以用于将交流电源转换为直流电源。

检波：二极管也可以用于检测交流信号中的直流成分。将一个二极管连接到一个交流信号上时，它会将信号中的直流成分转换为一个与信号频率成正比的电压。这种检波效应可以用于收音机和电视机等电子设备中。

稳压：二极管可以用于稳定电压。将一个二极管连接到一个电路中时，它可以防止电路中的电压波动。例如，可以使用一个二极管作为电压稳定器，以稳定电路中的电压。

信号处理：二极管可以用于处理信号。例如，可以使用一个二极管来将一个信号的正半周转换为一个负半周，或者将一个信号的高频成分转换为低频成分。

二极管电路的设计需要考虑二极管的特性和参数，例如正向电压、反向电压、电流和功率等。此外，还需要考虑二极管的类型和封装形式，以及电路中的其他元器件和电路设计。

审核编辑 黄宇