电源设计指南：齐纳二极管稳压器及其仿真

shuszhao · 发表于 2020-9-8 10:15:38

齐纳二极管在正向偏置时的行为类似于具有PN结的普通硅二极管，允许电流从阳极流向阴极。但在反向偏置时，齐纳二极管不同于普通二极管阻止电流流动，而是在达到一定反向电压阈值时，开始导通，允许反向电流流过。
当施加到齐纳二极管的反向电压超过其典型极限阈值时，在半导体耗尽区会发生称为雪崩击穿的过程，随后二极管会产生电流来限制电压的升高。在此过程中，电荷通过自由电子与相邻原子的碰撞而产生，并因此产生热量，有可能对器件造成不可逆转的损坏。

但是，如果二极管的耗尽区非常薄且高掺杂，则可能由于结中产生的高强度电场而生成反向电流。这个过程称为齐纳击穿（如图1所示），它是可逆的，而且不会损坏二极管。图中的水平轴上，齐纳二极管电压变得稳定的点称为齐纳电压（VZ），其值可以在几伏至几百伏之间。在掺杂和二极管制造过程中，可以小心地控制导通曲线的斜率和触发该过程的最小反向电流值，使公差小于1%。
图1：齐纳二极管的典型I-V特性

齐纳稳压器

齐纳二极管所具有的电压稳定水平（电源）比桥式整流电路和滤波电容器要高得多。尤其当半导体掺杂浓度恰当时，甚至可以实现齐纳击穿曲线（如图1）的斜率垂直，从而获得稳定的电压；随着输入电压的变化，波纹几乎可以忽略不计。图2显示了最简单的齐纳稳压器原理图。这里采用了VZ= 12 V的齐纳二极管；串联电阻R的值可通过图中所示的公式确定，其中Vi是输入电压，Vo是稳定的输出电压（12 V），IL是负载吸收的电流。
图2: 齐纳二极管稳压器
空载时，IL= 0，电路中的所有电流都将流过齐纳二极管，从而耗散最大功率。因此，必须按照指示谨慎选择串联电阻的值，以免超过空载时齐纳二极管能承受的最大功率。该电路能够产生几十毫安的电流，通常用于极化晶体管的基极，或作为运算放大器的输入，以获得较高的电流值。图3显示了能够扩大负载吸收功率的晶体管并联调节器。输出电压VO由下式给出：VO = VZ + VBE。
图3：带有齐纳二极管和晶体管的并联调节器

标准齐纳电压

市场上常见的齐纳二极管电压范围从刚好1 V到几百伏。每个电压值通常都有一个或多个功率值，从略低于0.5 W到5W以上。最常见的齐纳二极管产品是小信号系列BZX55，其VZ电压在2.4 V至75 V之间，最大功率为500 mW。齐纳功率二极管BZX85系列也得到广泛应用，其VZ电压在2.7 V至100 V之间，最大功率为1300 mW。

带齐纳二极管的串联稳压器

图4为最简单的齐纳二极管串联稳压器示例。其中晶体管作为电压跟随器，输出电压比齐纳电压低约0.6至0.7V。电阻R的大小必须经过精确调整，使齐纳二极管能正确极化，并且Q1的基极电流足以使其导通。为了防止齐纳二极管上的电流值下降至与齐纳效应不兼容，可以用达林顿晶体管代替低功率晶体管2N2222。
图4：带齐纳二极管和晶体管的串联稳压器
接下来，我们看下齐纳二极管的一些工作流程。
与典型的二极管一样，齐纳二极管看起来像一个小圆柱体，两端的两个端子用于连接或焊接到电路上。它是一个极化组件，具有一个阳极（正）和一个阴极（负）。
齐纳二极管管体上靠近阴极或负极端子的位置通常印有色带。当然，在电子原理图中，齐纳二极管也必须与普通二极管不同。它的符号与二极管非常相似，但为了区分它们，增加了两条细线。齐纳二极管主要使用的软件为LTspice。它是一款高性能SPICE仿真软件、原理图捕获和波形查看器，具有简化模拟电路仿真的增强功能和模型。LTspice可以从Analog Devices官网免费下载。

齐纳二极管

齐纳二极管如果直接极化会导通，跟普通二极管一样。但与普通二极管不同的是，反极化时齐纳二极管也会导通，但仅在超过电压阈值（Vz）时才会导通。在电路中，它被反极化，以利用其超过一定电压值才导通的特性。齐纳二极管的这种特性让所有执行某项特定功能的情况都可以采用它。现在我们来熟悉一下齐纳二极管的一般工作原理。图5所示为半导体（12 V的EDZV12B）被直接极化的简单电路原理图。在0 V至20 V之间对DC类型进行的仿真显示出电阻R1上的输出电压取决于电池电压。主曲线图和曲线图a证实了阴极和阳极之间的恒定压差约为0.833 V（结电压）。当阳极上的电压大于0.8 V时，压差开始恒定（图表b）。
图5：正向模式下的齐纳仿真
图6所示为半导体（同样是12 V的EDZV12B）被反极化的简单电路原理图。在0 V至20 V之间对DC类型进行的仿真显示出电阻R1上的输出电压取决于电池电压。当然，在这种模式下，普通二极管不会导电。但对于齐纳二极管，如果反向电压超过某个阈值（这里为12 V），它将开始导电。例如，如果电池电压为18 V，则电阻上的电压为6 V（18–12）。
图6:反向模式下的齐纳仿真

齐纳二极管做稳压器

我们知道，反极化的齐纳二极管导通时涉及一个固定电压Vz。例如，如果一个12V齐纳二极管上的电压是始终为12V，与电源电压无关，则可以将齐纳二极管用作稳压器。这是齐纳二极管的主要用途之一，即作为具有固定电压值的稳压器，固定电压可用于需要固定参考电压和为固定电源电压供电的电路。图7中采用了相同电压的齐纳二极管产生12V电源，非常完美地体现了齐纳二极管如何用作稳压器。该二极管前面有一个电阻用于限制电流，其阻值通过精确计算得出。从图中可以看出，当电池电压超过12 V时，电源开始工作。对于较低的电池电压，二极管的结压差始终为0.8V。
图7：齐纳二极管用作稳压器的一般原理图
图8中的图表显示了R1和D1上的电流随电池输入电压变化的情况（右侧为比例尺）。设计人员必须始终精确计算这些值，即使在最坏情况下也需要。实际上，齐纳二极管是适用于低电流的小型元器件。
图8：R1和D1上的电流

结论

齐纳二极管是使电压稳定至最佳的元器件。可惜的是，它无法提供大电流，但在为后续功率级提供精确电压基准时非常有用。所有电路均是通过精确的数学公式来调整的，齐纳二极管的应用条件计算也遵循这个规则。