【基础电子元件】二极管

【基础电子元件】二极管

如果把电路想象成一套水管系统，电流就像水流，电压就像水压，那么二极管就是管道里的一个“单向阀”。

水从一个方向来，它打开；水想反着流，它关上。

二极管最核心的作用：允许电流主要沿一个方向通过，阻止反方向电流通过。

二极管看起来只是一个很小的器件，但它在整流、防反接、续流、钳位、稳压、信号检测、ESD 保护等场景中非常常见。很多电路能不能稳定可靠工作，往往就藏在这颗小小的二极管里。

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文章目录

• 【基础电子元件】二极管
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• 一、什么是二极管？
• • 1.1 为什么二极管能单向导通?
  • 1.2 正向导通
• 二、分类
• • 2.1 普通整流二极管
  • 2.2 快恢复二极管
  • 2.3 肖特基二极管
  • 2.4 稳压二极管
  • 2.5 TVS 二极管
  • 2.6 发光二极管 LED
• 三、参数
• • 3.1 正向平均整流电流Io
  • 3.2 反向耐压Vrrm
  • 3.3 反向漏电流IR
  • 3.4 反向恢复时间Trr
  • 3.5 结电容Ct(寄生电容)
  • 3.6 IFSM(正向峰值浪涌电流)
  • 3.7 最大功耗PD 与 热阻RθJA
• 四、常见的应用
• • 4.1 整流
  • 4.2 防反接
  • 4.3 稳压
  • 4.4 钳位
  • 4.5 续流
• 五、降额设计
• • 5.1 电压降额
  • 5.2 电流降额
  • 5.3 功耗降额
  • 5.4 温度降额
• 六、选二极管四步法

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一、什么是二极管？

英文叫：Diode，是一个具有两个引脚的半导体器件。

它的两个引脚分别叫：

• 阳极 Anode，简称 A
• 阴极 Cathode，简称 K

在电路符号中，二极管通常画成这样：

实物中，有一个横线的是阴极。

箭头方向可以粗略理解为“允许电流流动的方向”。

也就是说，在常规电流方向下，电流更容易从阳极 A 流向阴极 K。

1.1 为什么二极管能单向导通?

二极管内部通常由PN 结构成。这里先不详细介绍PN结。

可以简单理解为：

• P 区：空穴较多
• N 区：电子较多
• P 区和 N 区接触后，会形成一个特殊区域，叫PN 结。

PN 结就像一道“电子闸门”。

当外部电压方向正确时，这道闸门会被推开，电流可以通过；

当外部电压方向相反时，这道闸门会被关得更紧，电流几乎无法通过。

1.2 正向导通

当二极管阳极电压高于阴极电压，并且高到一定程度时，二极管就会导通。

这个电压叫做正向导通压降，常用符号是VF。

常见二极管的正向压降大致为：

类型	正向压降典型值
硅二极管	约 0.6V ~ 0.7V
肖特基二极管	约 0.2V ~ 0.5V
发光二极管 LED	约 1.8V ~ 3.3V，和颜色有关

可以把二极管理解成一扇带弹簧的门：

• 你推得太轻，门打不开；
• 推力超过一定值，门就打开；
• 门打开后，电流就可以通过。

这个“推开门需要的力”，对应的就是二极管的正向导通压降。

二、分类

二极管家族很庞大，不同类型的二极管就像不同功能的工具。

下面介绍硬件设计中常见的几类。

2.1 普通整流二极管

普通整流二极管主要用于把交流电变成直流电，或者用于一般的单向导通场景。

典型应用：

• 电源整流、防反接、简单续流、极性保护

常见型号：

• 1N4001 ~ 1N4007

普通整流二极管的特点是：

• 耐压较高、电流能力较强、速度一般、正向压降约 0.7V 左右

2.2 快恢复二极管

特点是反向恢复时间较短。

二极管刚刚还在正向导通，突然让它反向截止时，它不是瞬间关门，而是需要一点点时间把“门”关严。这个时间越短，二极管越适合高频开关电路。

典型应用：

• 开关电源、高频整流、电机驱动、逆变电路

可以把普通二极管比作一扇老式木门，关门需要一点时间；

快恢复二极管就像带闭门器的轻质门，能更快关上。

2.3 肖特基二极管

也叫 Schottky Diode。

它最大的特点是：

• 正向压降低，降约 0.3V 左右
• 开关速度快
• 反向漏电流相对较大
• 反向耐压通常不如普通二极管高

典型应用：

• DC-DC 电源、低压整流、防反接、OR-ing 电源选择、高频开关电路

它就像一扇“轻巧的自动门”，推开更省力，开关更快。

2.4 稳压二极管

也叫 Zener Diode。

普通二极管通常不希望反向击穿，因为可能损坏。

但稳压二极管恰恰是利用反向击穿特性工作的。

当反向电压达到某个特定值时，稳压二极管会进入击穿状态，并把电压钳在一个相对稳定的范围。

典型应用：

• 简单稳压、电压基准、过压保护、信号钳位

比如一个 5.1V 的稳压二极管，可以用来限制某个节点电压不要明显超过 5.1V。

可以把稳压二极管理解成“安全泄压阀”：

2.5 TVS 二极管

TVS 是 Transient Voltage Suppressor 的缩写，中文通常叫瞬态抑制二极管。

它主要用于保护电路免受瞬态高压冲击，比如：

• 静电 ESD、浪涌 Surge、插拔瞬间尖峰、电机、电感负载产生的尖峰

TVS 二极管响应速度很快，可以在很短时间内把过高电压钳位住，保护后级芯片。

典型应用：

• USB 接口保护、CAN、RS485、以太网接口保护、电源输入浪涌保护、按键、连接器 ESD 防护

2.6 发光二极管 LED

LED 本质上也是二极管，只不过它在正向导通时会发光。

不同颜色 LED 的正向压降不同，大致范围如下：

LED 颜色	正向压降典型范围
红色	约 1.8V ~ 2.2V
黄色	约 2.0V ~ 2.3V
绿色	约 2.0V ~ 3.2V
蓝色	约 2.8V ~ 3.3V
白色	约 2.8V ~ 3.5V

LED 使用时通常需要串联限流电阻，否则电流过大容易烧毁。

三、参数

使用常用的1N4148来说明

3.1 正向平均整流电流Io

长期工作时允许通过的平均正向电流。

比如某个二极管标称 Io = 150mA，意思是在规定散热和温度条件下，它可以长期承受约 150mA的正向电流。

有的管子还会写 IF (最大整流电流 Forward Continuous Current)，如果没有那么IF就和Io等效。一般设计时 主要考虑Io的参数，IF只做参考，管子使用时不允许超过Io来用。

3.2 反向耐压Vrrm

VRRM 是二极管能承受的最大重复反向峰值电压。

什么是重复，如果输入是交流信号，波峰的那个最大电压。

VRM 是二极管能承受的最大 非 重复反向峰值电压。

就是二极管反向关断时，最多能扛多高的反向电压。

VRWM(反向最大工作电压) 电压不超过这个值时，二极管不反向导通。

VR(反向击穿电压) 也是反向电压到达这个值，损坏二极管的电压。

3.3 反向漏电流IR

二极管反向截止时，并不是完全没有电流，而是存在很小的漏电流。

这个漏电流叫 IR。

在普通电源场景下，IR 可能不敏感。

但在低功耗、电池供电、高阻抗采样、精密测量场景下，IR 就可能影响电路表现。

比如一个超低功耗设备，整机休眠电流只有几微安，如果二极管反向漏电流也有几微安，那就不能忽略。

IR 就像一个关不严的水龙头，虽然只是滴水，但在长期低功耗系统里，也会造成明显损耗。

3.4 反向恢复时间Trr

当二极管从正向导通切换到反向截止时，它需要一定时间才能完全关断。这个时间就是 trr。

在低频电路中，trr 影响不明显。

但在开关电源、高频整流、电机驱动等场景中，trr 会影响效率、发热和 EMI。

如果频率很高，却使用恢复很慢的普通整流二极管，就像高速路上装了反应迟钝的闸门，车流切换时会堵车、碰撞、发热。

3.5 结电容Ct(寄生电容)

结电容，体现了二极管的频率特性。

当频率达到某一程度时，容抗急速减小，让二极管变成类似短路的状态，二极管失去原来的单向导通特性。

在高速信号、射频、通信接口中，结电容会影响信号质量。

例如 USB、HDMI、以太网等高速接口选 TVS 时，不能只看钳位电压和 ESD 能力，还要关注结电容。结电容太大，会把高速信号“拖慢”。

3.6 IFSM(正向峰值浪涌电流)

二极管正向瞬间允许通过的电流，超过则损坏。

上图意思是 1us下最大不超过2A，1s下最大不超过1A

3.7 最大功耗PD 与 热阻RθJA

二极管工作时会发热，发热大小主要由功耗决定。

器件所能承受的最大功耗为PD

器件最终温度有多高，还跟散热能力有关。

热阻 RθJA 可以理解为“热量从芯片内部传到空气中的困难程度”。

粗略可以理解为：温升≈功耗×热阻。 后续有机会在细讲这里。

例如：

• 功耗 0.5W
• 热阻 100℃/W

则温升约：0.5W × 100℃/W = 50℃

如果环境温度是 50℃，器件结温可能达到约 100℃。

这还只是粗略估算，实际还与 PCB 铜皮面积、风道、封装、周围器件有关。

四、常见的应用

4.1 整流

二极管最经典的应用：把交流变成直流。

整流后再经过电容滤波，可以得到较平稳的直流电。

常见整流方式包括：

• 半波整流、全波整流、桥式整流

4.2 防反接

在主回路中串联一个二极管，是利用单向导通特性的最简单的防反接方式，在低成本方案中常见。但是由于二极管存在的导通压降、以及负载电流大时引起的热损耗等问题存在，有更好的防反接措施。

4.3 稳压

通过一个电阻+稳压二极管，就能实现最简单的稳压电路。

稳压二极管使用与普通二极管有点差异，它主要利用反向击穿，且可以通过一定电流下，二极管不损坏。

与普通二极管参数有些差异，有新的参数：

• 稳压值Vz
• 典型通过电流Izt
• 最小通过电流Izk
• 最大通过电流Izm

设计步骤：

①根据所需稳压值，选取Vz，Vz的精度一般很差，幅度较大，比如目标稳压5V电压，稳压管可以选5.1V，实际稳压幅度在4.9V~5.3V之间。

②考虑功率，负载所需的电流，不能超过 Izm，这个实际电流×稳压电压，就是稳压管的功率。负载电流最好在Izt附近。

③注意稳压管是有最小电流要求。最小保证1mA的电流经过稳压管，以此维持稳压。

④计算合适的限流电阻：

例如：此时负载电流最大需要20mA，最小0mA。

输入电压最大13V，最小11V，稳压值5.1V，稳压管1W，最大200mA，最小1mA。

1）R最大值 ＜ (11V-5.1V) / （1mA+20mA） = 280Ω

电阻如果比这个大，就无法提供最大电流，稳压管就会失效。

2）R最小值 ＞ (13V-5.1V) / 200mA = 39Ω。

电阻如果比这个值还小，就会导致稳压管击穿。

3）功率P ＞(Vmax - Vz）² /R ，根据以上俩式，R可取200Ω。

P = (13V -5.1V)² / 200Ω = 0.3W，那么功率比这个大 1.5 - 2倍以确保安全。

PS：其实绝大数多数，稳压管在电路中的作用并非用于稳压，而是在特殊情况下触发稳压功能，这种就属于用在保护的作用。

4.4 钳位

刚才讲到保护作用，这个保护作用就是把信号或者电压限制在某个安全范围。

例如对 MCU 的输入引脚，可以通过二极管把电压钳位在电源和地附近，避免输入电压过高或过低。为啥能钳位，因为二极管的导通电压0.3V或者0.7V。

如下图，当接口出现5V时，上面的二极管导通，电压被钳位在4V左右。

当接口出现-1V时，下面的二极管导通，电压被钳位在-0.7V左右。

TVS 二极管也常用于接口保护，当外部出现静电或浪涌时，TVS 快速导通，把电压钳在安全范围内。

4.5 续流

在继电器、马达、电磁阀等感性负载中，经常会看到一个二极管反向并联在线圈两端。这是因为电感有一个特点：不喜欢电流突然变化。详细可以去看我的电感篇章。

是的，由于电流的突变，二极管可以给这个电流提供一个回路，释放能量。

常见的BUCK降压电路，就有一个续流二极管。

除了电感需要续流。电容放电也可以加速！

比如下图：当脉冲控制信号进来以后，D1截止，电流通过R1给Cgs充电，此时电阻较大，当控制信号为低电平时，Cgs通过R2 和R1同时放电，R2电阻小，放电速度很快。

五、降额设计

5.1 电压降额

二极管的反向耐压 VRRM 要高于实际电路中可能出现的最大反向电压。例如电路中最高反向电压可能达到 24V，不建议选 30V 耐压的二极管，最好选 40V、60V，甚至更高，具体看浪涌和环境要求。

建议：实际反向电压 ≤ 额定反向耐压的 50% ~ 70%。综合成本、尺寸考虑。

5.2 电流降额

电流不用说了 刚才有提到。

建议：实际电流 ≤ 正向平均整流电流 50% ~ 70%。综合成本、尺寸考虑。

5.3 功耗降额

二极管功耗主要来自正向压降和电流。

设计时要确认：

• 二极管自身功耗是否超标
• 封装是否能散热
• PCB 铜皮面积是否足够
• 周围是否有高温器件
• 最高环境温度是多少

如果温升太高，可以考虑：

• 换更低 VF 的肖特基二极管
• 换更大封装
• 增加铜皮散热
• 并联或更改拓扑
• 使用 MOS 管理想二极管方案

5.4 温度降额

二极管参数会随温度变化。

常见影响包括：

• 温度升高，反向漏电流增大
• 温度升高，允许功耗下降
• 温度升高，器件寿命降低
• 肖特基二极管高温漏电尤其需要关注

因此，不能只看 25℃ 下的数据。

如果产品工作在高温环境，比如 60℃、85℃，甚至 105℃，必须查看数据手册中的降额曲线。

六、选二极管四步法

①先确认应用场景

问自己：

• 是整流？
• 是防反接？
• 是续流？
• 是稳压？
• 是接口保护？
• 是 LED 指示？
• 是高速信号保护？

不同场景决定了二极管类型。

②确认电压、电流、功耗、速度

重点看：

• 最大反向电压 VRRM
• 长期正向电流 IF
• 正向压降 VF
• 最大功耗 PD
• 工作温度范围
• 反向恢复时间 trr
• 结电容 C

不要只看一个参数，要综合判断。

③看数据手册曲线

新人容易只看首页参数表，但真正有用的信息往往在曲线里

建议重点看：

• IF 与 VF 曲线
• 反向漏电流与温度曲线
• 允许功耗降额曲线
• 浪涌电流曲线
• 热阻参数说明
• 推荐焊盘和 PCB 散热条件

④留足余量

不要让器件天天跑在极限状态。

通常各项参数预留 30%以上的余量。

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内容很多，一般人看不完，看到这里的你不一般，实在太棒了！！！请继续加油~