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关闭窗口 摘要：介绍单片开关电源外围电路中关键元器件的性能特点、工作原理、应用领域和选择方法。
关键词：瞬态电压抑制器；快恢复二极管；超快恢复二极管；自恢复保险丝
4瞬态电压抑制器
瞬态电压抑制器亦称瞬变电压抑制二极管，其英文缩写为TVS（TransientVoltageSuppressor），是一种新型过压保护器件。由于它的响应速度极快、钳位电压稳定、体积小、价格低，因此可作为各种仪器仪表、自控装置和家用电器中的过压保护器，还可用来保护单片开关电源集成电路、MOS功率器件以及其它对电压敏感的半导体器件。瞬态电压抑制器是一种硅PN结器件，其外型与塑封硅整流二极管相似，见图1（a）。常见的封装形式有DO－41、A27K、A37K，它们在75℃以下的额定脉冲功率分别为2W、5W、15W，在25℃、s条件下可承受的浪涌电流分别可达50A、80A、200A。外形尺寸有2.0×4.1、2.7×5.2、5.0×9.4（mm）等规格。其钳位电压从0.7V到3kV。TVS的符号与稳压管相同，见图1（b），伏安特性如图1（c）所示。图1(c)中，UB、IT分别为反向击穿电压（即钳位电压）、测试电流。UR为导通前加在器件上的最大额定电压。有关系式UR=0.8UB。IR是最大峰值漏电流。UC是在1ms时间内器件可承受的最大峰值电压。有关系式UC>UB>UR。IP是瞬时脉冲峰值电流。因IP、IT、IR分别属于A、mA、μA这三个数量级，故IPITIR。TVS的峰值脉冲功率PP与干扰脉冲的占空比（D）以及环境温度（TA）有关。当D↓时PP↑，反之亦然。而当TA↓时PP↑。PP值通常是在脉宽1ms、脉冲上升沿为10μs、D=0.01％的条件下测出的，使用时不得超过此值。
(a)外形(b)符号(c)伏安特性
图1瞬态电压抑制器
瞬态电压抑制器在承受瞬态高电压（例如浪涌电压、雷电干扰、尖峰电压）时，能迅速反向击穿，由高阻态变成低阻态，并把干扰脉冲钳位于规定值，从而保证电子设备或元器件不受损坏。钳位时间定义为从零伏达到反向击穿电压最小值所需要的时间。TVS的钳位时间极短，仅1ns，所能承受的瞬态脉冲峰值电流却高达几十至几百A。其性能要优于压敏电阻器（VSR），且参数的一致性好。
TVS器件分为单向瞬态电压抑制器、双向瞬态电压抑制器两种类型。国内外产品有TVP、SE、5KP、P6KE、BZY、BZT等系列。单片开关电源中常用的TVS产品型号见表1。需要说明几点
1）表中的P为额定功率，t是钳位时间（典型值）；
2）对于P6KE系列，靠近白色环为正极；
3）TVS也可串联或并联使用，以提高峰值脉冲功率，但在并联时各器件的UB值应相等。
双向瞬态电压抑制器的典型产品有P6KE20、P6KE250等。这类器件能同时抑制正向、负向两种极性的干扰信号，适用于交流电路中。
表1单片开关电源常用TVS的型号型号UB/VP/Wt/ns生产厂家
P6KE919151美国Motorola公司
P6KE15015051
P6KE2002005(600＊)1
BZY97C1201201.51
BZY97C2002001.51
BZT03C1201203.251
＊括弧内数字为峰值脉冲功率Pp。
5快恢复及超快恢复二极管
快恢复二极管（FRD）和超快恢复二极管（SRD）是极有发展前途的电力电子半导体器件。它们具有开关特性好、反向恢复时间短、耐压高、正向电流大、体积小、安装简便等优点。可广泛用于脉宽调制器、单片开关电源、不间断电源（UPS）、高频加热装置、交流电机变频调速等领域，作为高频、大电流的整流二极管、续流二极管或阻塞二极管。下面介绍其性能特点和选取原则。
5.1快恢复及超快恢复二极管的性能特点
1）反向恢复时间
反向恢复时间trr的定义是电流通过零点由正向转向反向，再由反向转换到规定低值的时间间隔。它是衡量高频整流及续流器件性能的重要技术指标。反向电流的波形如图2所示。图中，IF为正向电流，IRM为最大反向恢复电流，Irr为反向恢复电流，通常规定Irr=0.1IRM。当t≤t0时，iF=IF。当t>t0时，由于整流管上的正向电压突然变成反向电压，因此正向电流迅速减小，在t=t1时刻，iF=0。然后整流管上流过反向电流iR，并且iR逐渐增大；在t=t2时刻达到最大反向电流IRM。此后反向电流逐渐减小，并且在t=t3时刻达到规定值Irr。从t2到t3的反向恢复过程与电容器放电过程有相似之处。由t1到t3的时间间隔即为反向恢复时间trr。
2）快恢复二极管的结构特点
快恢复二极管的内部结构与普通二极管不同，它是在P型、N型硅材料中增加了基区I，构成P－I－N硅片。由于基区很薄，反向恢复电荷很小，不仅大大减小了trr值，还降低了瞬态正向电压，使管子能承受很高的反向工作电压。快恢复二极管的反向恢复时间一般为几百ns，正向压降为0.6～0.7V，正向电流是几A至几kA，反向峰值电压可达几百V至几kV。超快恢复二极管则是在快恢复二极管基础上发展而成的，其反向恢复电荷进一步减小，trr值可低至几十ns。20A以下的快恢复二极管及超快恢复二极管大多采用TO220封装。从内部结构看，可分成单管、对管两种。对管内部包含两只快恢复或超快恢复二极管，根据两只二极管接法的不同，又有共阴对管、共阳对管之分。几十A的快恢复、超快恢复二极管一般采用TO3P金属壳封装，更大容量（几百A至几kA）的管子则采用螺栓型或平板型封装。
5.2选择方法
在单片开关电源中，一般采用超快恢复二极管作为阻塞二极管、输出整流管或反馈电路中的整流管。
图2反向恢复电流的波形
图3肖特基二极管的伏安特性
1）阻塞二极管
在初级保护电路中与钳位二极管（TVS）配套使用的阻塞二极管（VD1），须用超快恢复二极管。其反向恢复时间trr≤75ns，多数管子在20ns～50ns之间。典型产品有美国通用仪器公司（GI）生产的UF4000、UF5400两大系列，荷兰飞利浦公司生产的BYV26系列、BYV27系列、BYW29系列，美国摩托罗拉公司生产的MUR100系列。选取原则见表2。
表2选取阻塞二极管的原则单片开关电源集成电路阻塞二极管的反向耐压URM/V超快恢复二极管型号示例
TOP100系列400UF4004BYV26BMUR140
TOP200系列600UF4005BYV26CMUR160
TOPSwitchⅡ系列600UF4005BYV26CMUR160
2）输出整流管
超快恢复二极管适合作为开关电源的高压、大电流整流管。设整流管实际承受的最大反向峰值电压为U(BR)S，所选整流管的最高反向工作电压为URM，要求URM≥2U(BR)S，其额定整流电流Id≥3IOM，IOM为最大连续输出电流。
3）反馈电路中的整流管
反馈电路中的整流管通常选硅高频开关整流管1N4148，但有时也可选用UF4003、MUR120、BAV21等型号的超快恢复二极管。
6肖特基二极管
6.1肖特基二极管的性能特点
肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode，英文缩写为SBD）简称肖特基二极管或肖特基管。它属于低压、低功耗、大电流、超高速半导体功率器件，其反向恢复时间极短（可小到几ns），正向导通压降仅为0.4V左右,而整流电流却可达几百A至几kA。这些优良特性是快恢复二极管及超快恢复二极管所不具备的。它适合作为开关电源中的低压整流管。 肖特基二极管是以金、银、钼等贵金属为阳极，以N型半导体材料为阴极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属半导体器件。肖特基二极管仅用一种载流子（电子）输送电荷，在势垒外侧无过剩少数载流子的积累，因此它不存在电荷储存效应，使开关特性得到明显改善。其反向恢复时间可缩短到10ns以内。但它的反向耐压较低，一般不超过100V。利用其正向导通压降低的特性，能提高开关电源的效率。肖特基二极管的典型伏安特性如图3所示。其正向导通压降介于锗管与硅管之间，但它的构造原理与PN结二极管有着本质区别。表3列出了肖特基二极管、超快恢复二极管、快恢复二极管、高频硅整流管的性能比较。中、小功率肖特基二极管大多采用TO220封装。
表3四种二极管典型产品的性能比较半导体整流二极管典型产品型号平均整流电流Id/A正向导通电压反向恢复时间trr/ns反向峰值电压URM/V
典型值UF/V最大值UFM/V
肖特基二极管16CMQ0501600.40.8<1050
超快恢复二极管MUR30100A300.61.0351000
快恢复二极管D2502150.61.0400200
高频整流管PR300630.61.2400800
6.2常用肖特基二极管的选取原则及产品型号
开关电源的输出整流管宜采用肖特基二极管，这有利于提高电源效率。典型产品有Motorola公司生产的MBR系列肖特基二极管。所选肖特基管必须满足条件
URM≥2U(BR)S（1）
Id≥3IOM（2）
式(1)中次级整流管的最大反向峰值电压U(BR)S由下式确定U(BR)S=UO＋·UImax（3）
举例说明，某单片开关电源的输出电压UO=12V，最大连续输出电流IOM=5A，最大输出功率POM=
图4电阻－温度特性
60W。已知高频变压器的初级匝数NP=54匝，次级匝数NS=5匝，直流输入电压最大值UImax=375V（对应于交流输入电压最大值umax=265V）。由式（3）可计算出U(BR)S=46.7V。再根据式（1）求得URM≥93.4V。将IOM=5A代入式（2）中得到Id≥15A。此时可选择Motorola公司生产的MBR20100型肖特基二极管，其URM=100V>93.4V，Id=20A>15A，trr<10ns，完全能满足上述条件。
需要指出，肖特基二极管的最高反向工作电压一般不超过100V，仅适合作低压、大电流整流用。当UO≥30V时，须用耐压100V以上的超快恢复二极管来代替肖特基二极管，此时电源效率略有下降。
7自恢复保险丝
7.1自恢复保险丝的性能特点
自恢复保险丝（ResettableFuse）的英文缩写为RF。它是20世纪90年代问世的一种新型过流保护器件。传统的保险丝属于一次性过流保护器，使用很不方便。美国硅谷的瑞侃（Raychem）公司最近研制成功由聚合物（polymer）掺加导体而制成的自恢复保险丝，圆满地解决了上述难题。它具有体积小、种类规格齐全、开关特性好、能自行恢复、反复使用、不需维修等优点。其中，RXE系列为圆片形，RUE系列属方形，miniSMD为小型化表面安装器件，SRP系列为片状。
自恢复保险丝具有开关特性，亦称之为聚合物开关（polyswitch）。内部由高分子晶状聚合物和导电链构成。由于聚合物能将导电链紧密地束缚在晶状结构上，因此常态下的电阻非常低，仅为零点几Ω左右。当工作电流通过自恢复保险丝时所产生的热量很小，不会改变聚合物内部的晶状结构。当发生短路故障时，电流急剧增大，导电链产生的热量使聚合物从晶状胶体变成非晶状胶体，原本被束缚的导电链便自行分离断裂，器件的电阻值就迅速增加几个数量级，呈开路状态，立即将电流切断，起到保护作用。而一旦过流故障被排除掉，器件很快又恢复成低阻态。正是这种“低阻（通态）超高阻（断态）”的可持续转换，才使之能反复使用而无须更换。
自恢复保险丝的电阻－温度特性如图4所示，共分5个阶段：当温度较低时，其发热量与散热量达到动态平衡（阶段1）；即使电流稍大或环境温度略微升高，增加的热量仍可散发到空气中（阶段2）；但是，若电流进一步增大（阶段3），直至发热量大于散热量时（阶段4），自恢复保险丝的温度就会迅速升高，很小的温度变化量就会造成电阻值急剧增大，阻挡住电流通过，保护设备免受损害；阶段5则属于禁用区。在过流故障消除后的几s之内，随着温度的降低，电阻值又迅速减小。
需要指出，自恢复保险丝也具有正温度系数（PTC）特性，但与具有正温度系数特性的热敏电阻有着本质区别。它属于高分子聚合物－导体，而PTC元件是由钛酸钡与稀土元素烧结而成的陶瓷材料；此外PTC元件在常温下的电阻值较大，不适合作保险丝使用。
7.2典型应用
自恢复保险丝可广泛用于开关电源、电子仪器、家用电器、计算机和通信设备中，起到自动保护作用。将自恢复保险丝直接串在单片开关电源的直流电压输出端，即可实现过流保护功能。需要注意，自恢复保险丝一般用作低压过流保护，不能用于220V交流电压。
参考文献
[1]沙占友．模拟与数字万用表检测及应用技术[M].北京:电子工业出版社，2000.
[2]沙占友，睢丙东.单片开关电源保护电路的设计[J].电工技术，2000.(12)
作者简介
沙占友（1944－），男，河北科技大学信息学院电子信息工程系教授，已出版专著16部，发表学术论文153篇，主要研究方向为数字化测量技术、仪器仪表及特种电源。 （本讲座完）
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