【導(dǎo)讀】二極管作為一種基礎(chǔ)電子元器件,所有工程師都知道其具有單向?qū)щ娦?。根?jù)半導(dǎo)體材料分類,可分為硅二極管和鍺二極管;根據(jù)據(jù)應(yīng)用場合分類,可分為整流二極管、檢波二極管、開關(guān)二極管和穩(wěn)壓二極管。不論怎么分,二極管有一個參數(shù)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(shù)變化不超過規(guī)定允許值時的最大集電極耗散功率。是某一時刻電網(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)通的耗散功率計算比較簡單,PD=I2R,或者PD=U2/R;而在開關(guān)狀態(tài)下,計算相對比較復(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,當實際的功率增大是,其節(jié)溫也將變大,當節(jié)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(guān)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(guān),比如測試環(huán)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(huán)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(dǎo)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(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(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(huán)境溫度25℃,焊在FR-4材質(zhì) 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(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:
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(jīng)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(shù):
|1/k|=Rja=(150-25)/0.2=625℃/W
根據(jù)這個表,可得:
PD=-1/625(TA-25)+0.2,(TA-≥25)
根據(jù)這個公式,可計算出不同環(huán)境溫度下最大的耗散功率。
在設(shè)計過程中,人們更關(guān)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(huán)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(jīng)達到節(jié)溫的最大溫度了,比較危險,應(yīng)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(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,不但要考慮正向電流、反向耐壓和開關(guān)時間,還應(yīng)該考慮到耗散功率。