嵌入式硬件电子电路设计（七）稳压二极管-齐纳二极管-齐纳击穿全面详解
引言：在嵌入式硬件电子电路设计中，稳压二极管（又称齐纳二极管）是一种常用的元件，主要用于电压稳定、过压保护和电路调试。齐纳二极管利用齐纳击穿效应，在反向工作状态下能够维持稳定的电压输出，因此被广泛应用于各种电源电路和信号调理电路中。理解齐纳二极管的工作原理及其在实际电路中的应用，对于优化硬件设计和提高电路可靠性具有重要意义。
目录
何为稳压二极管
稳压二极管（Zener Diode）是一种特殊的二极管，其在反向偏置状态下能够保持稳定的反向电压。它利用齐纳击穿效应或雪崩击穿效应，使得当反向电压达到击穿电压时，电流急剧增加，而电压基本保持不变。由于这一特性，稳压二极管通常用于电路中的电压稳压、过压保护以及电源电路的基准电压产生。如下为伏安特性曲线：
正向特性与普通二极管相同，但是反向特性就比较特殊了。反向电压加到一定程度时，虽然呈现击穿状态，通过较大电流却不损毁，这种现象的重复性很好，只要管子处于击穿状态，尽管管子的电流变化很大，而管子两端的电压却变化的极小，从而起到稳压作用，基本的二极管稳压电路，就是通过与负载反向并联来保持工作的。
稳压二极管的工作原理
普通的二极管具有单向导通性，也就是说你给他施加一个反向电压，会表现出反向截止的特性
但是这个反向电压也不能无止境的增加，反向电压大到一定程度的时候，二极管就反向击穿了，此时二极管也是永久的损坏，但是稳压二极管-齐纳二极管不会，你给他施加一个超过一定值的反向电压时，他也会被击穿，但是并不会被损坏，而是表现一种神奇的特性，例如一颗反向击穿电压为6V的齐纳二极管，当他反向击穿后，不管流过的电流是多少，他两端的电压都会维持在6V不变，那如果我们把它放在电路中，如下所示：
可以看出都是稳定在6V了，并且值得注意的是第一颗R1电阻是一定要存在的，如果直接接入会给烧毁，因为电流过大烧毁，还有就是当R2等于1欧姆时，也就是负载等于1欧姆时，齐纳二极管就不起作用了，也就是齐纳二极管没有被击穿。
稳压二极管与普通二极管
首先就是针对没有二极管知识基础的读者先进行知识补充了，常用二极管有：普通二极管、稳压二极管、TVS二极管、肖特基二极管、快恢复二极管、发光二极管等等。
二极管性质：单向导电性
二极管参数：最大电流、正向压降、反向耐压
并且我们遇到的SS34，SS14，SS54的意思如下所示：
肖特基二极管与快恢复二极管的知识点也补充一下，在二极管正向导通后，突然加反向电流， 理想情况下，二极管应该立刻变为截止状态 但是实际上二极管并不会立即变为截止状态， 而是有一个反向电流，然后这个反向电流经过很小的一段时间后慢慢减小到0， 达到截至状态。
反向恢复时间 = ts + tt
- 普通二极管:反向恢复时间一般>500ns以上;
- 快恢复二极管:反向恢复时间一般在150ns-500ns之间;
- 超快恢复二极管:反向恢复时间一般在15ns-35ns之间;
- 肖特基二极管:反向恢复时间一般<10ns，也有个别在20ns这个量级。
接下来就是回到普通二极管与稳压二极管的区别了，如下所叙：
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普通二极管
- 在正向偏置时导通，具有低压降（硅二极管约为0.7V，锗二极管约为0.3V）。
- 在反向偏置时截止，直到反向电压超过最大反向耐压（Breakdown Voltage）后击穿，无法恢复正常工作。
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稳压二极管
- 特别设计用于反向偏置下工作，当反向电压达到击穿电压（Zener Voltage, Vz）时，利用齐纳击穿或雪崩击穿效应维持稳定的电压。
- 在击穿后，稳压二极管能够正常工作，不会损坏。
| 特性 | 普通二极管 | 稳压二极管 |
|---|---|---|
| 正向电流 | 正向导通，电流与压降成指数关系 | 同普通二极管 |
| 反向特性 | 反向截止，超过耐压值后不可逆击穿 | 反向击穿后保持稳定电压 |
| 击穿电压范围 | 击穿电压高，一般为几十到几百伏 | 击穿电压可调（2V-200V） |
| 功率范围 | 通常较小，数百毫瓦到几瓦 | 根据型号，可达几十瓦 |
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普通二极管
- 用于整流电路（AC/DC转换）。
- 用于信号处理电路（例如钳位、混频）。
- 作为保护元件，防止反接损坏。
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稳压二极管
- 用于电压稳压，维持负载端的稳定电压。
- 用于过压保护，当电压超过规定值时导通分流，保护电路安全。
- 用作电源电路中的基准电压。
稳压二极管的电路应用
LED小台灯实际案例如下所示：
LED灯珠压降每颗1V一共就是9V，那就用9V稳压管， LED灯珠电流500mA，串联电流不变，稳压管正常工作电流5mA， 电路总电流505mA 约等于500mA。那么电容阻抗就是220/0.5 = 440Ω 根据电容阻抗公式X = 1/2πfC 算得电容 C = 7.23uF， 这样我们的电路既能稳定的提供LED需要的500mA电流，又能保证LED不会被高压击穿。
稳压二极管的参数
下述是实际稳压二极管的数据手册，可以作为参考学习：
但是我们值得注意的是反向击穿电压的值了，如下所示：
根据需求来选取自己合适的击穿电压值了。
其次就是功率这个参数了，也就是发热。
稳压二极管的局限性
1. 稳压二极管与电源芯片对比
| 特点 | 稳压二极管 | 电源芯片（LDO/DCDC） |
|---|---|---|
| 效率 | 效率较低，通过分流耗散多余能量，发热严重。 | 效率高，尤其是DCDC可以达到90%以上。 |
| 输出电流能力 | 适合小电流场景，通常几百毫安以内。 | 支持更高的输出电流（LDO通常为几百毫安到几安，DCDC可达数十安）。 |
| 精度 | 精度受温度影响较大，稳压值偏差较大。 | 精度高，具有更好的温度补偿和输出稳定性。 |
| 发热 | 高发热，尤其在大电流或高压差时散热成为瓶颈。 | LDO在大压差下发热较高，但DCDC发热很小。 |
| 成本 | 便宜，但需要额外配套电路（如滤波电容、散热设计）。 | LDO和DCDC芯片价格低，外围电路简单，总成本更低。 |
| 噪声 | 噪声较大，尤其在反向击穿工作时可能产生高频干扰。 | LDO噪声较低，DCDC噪声稍高但可通过滤波优化。 |
| 动态性能 | 动态响应较差，难以处理高速或快速负载变化。 | 动态响应快，可处理复杂电源负载。 |
2. 稳压二极管的局限性和问题
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发热严重：
稳压二极管依靠消耗多余功率来维持稳定电压，因此在高电流场景下，发热量显著，可能需要额外的散热措施。 -
效率低：
由于稳压二极管是线性稳压，效率通常很低，特别是在输入电压高而负载电流大的情况下。 -
不适合复杂需求：
稳压二极管缺乏过流保护、欠压保护等功能，不适合需要高可靠性或多功能电源管理的场景。
因此为什么为什么电源芯片更合适？
LDO（低压差线性稳压器）：
- 适用场景： 小电流、低压差场景。
- 具有较低的纹波和噪声，非常适合音频、电源基准等敏感电路。
- 内置保护功能，减少外围电路设计复杂度。
DCDC转换器：
- 适用场景： 高效率、大电流场景。
- 能将输入电压高效转换为所需的输出电压，几乎没有多余能量损失。
- 更适合大压差和电池供电场景。
芯片优势：
- 价格便宜：如常见的DCDC芯片（如MP2315）和LDO芯片（如AMS1117）价格几乎和稳压二极管接近，甚至更便宜。
- 功能丰富：支持软启动、热保护、过流保护等功能，安全性和可靠性更高。
- 易于使用：外围元件少（几颗电容、电感即可），设计简单。
最后就是总结一下了。。
尽管稳压二极管不适合直接替代电源芯片，但在某些特定场景中仍然具有优势：
过压保护： 用于保护电路免受瞬态高压损坏。
简单电压基准： 在一些低精度场景中充当基准电压源。
小电流场景： 适用于简单的小功率应用，如分压电路中的稳定参考。
原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_64593595/article/details/143925878
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