簡介

齊納二極管是二極管系列中用途最為廣泛的產品之一，因為齊納二極管可用作低成本電壓穩壓器，還可針對過壓事件提供鉗位保護。作為電壓穩壓器和過壓鉗位，齊納二極管可勝任許多不同的應用，例如電動工具或車輛中的電池管理電路。齊納二極管也廣泛用于可穿戴設備、充電器等應用的電源設計。電池供電應用可能需要低至 uA 級的工作電流，而大多數齊納二極管的測試電流均以 mA 級為標準。在測試電流為 50-500uA 的范圍內，Vz 可能會出現顯著漂移，對于要求電壓嚴格穩定的應用而言，這可能是不可接受的。低測試電流下的這種 Vz 行為稱為齊納噪聲現象。TI 的齊納二極管 (z ≤ 8.2V) 在這些較低的測試電流下具有較低的 Vz 漂移，適用于低電流運行的應用。這些二極管采用微型多源封裝，與穩壓器 IC 相比可以節省布板空間，也可以節省 BOM 成本。

齊納噪聲現象

圖 1 反向偏置下進入雪崩擊穿的 PN 結

要使齊納二極管提供穩定的 Vz，它必須進入雪崩模式，這需要兩個條件：

• 施加的場強（或反向電壓）足夠高，能夠使二極管進入擊穿狀態
• 一定的最小泄漏電流就必須流動

當電流低于 1mA 時，二極管可能會瞬間退出雪崩擊穿狀態。在這種情況下，二極管的行為可能與電容器類似。上升電壓信號的時間常數由電流驅動器的電阻和二極管電容 (Cd) 決定。

一旦二極管充電至足夠高的電壓，就可能發生另一次雪崩擊穿。在這些條件下，雪崩擊穿的進入或退出周期會導致齊納二極管上的電壓上升，這種現象稱為齊納噪聲。

圖 2 顯示了 39V 齊納二極管在反向電流為 50uA 時的噪聲現象。在每個上升斜率之間，二極管會短暫退出雪崩模式，阻止電子通過 p-n 結合流動。一旦累積了足夠的電荷，將束縛電子激發出來，就可能發生與其他電子的碰撞，從而電離出更多電子，直到再次觸發雪崩擊穿。在 50uA 以內的低反向電流下，電壓會下降，直到達到低于擊穿電壓，二極管再次退出雪崩模式。雪崩擊穿狀態的反復切換會導致齊納噪聲的產生。在反向電流達到約 1mA 或更高時，只要施加足夠的反向電壓，二極管就可以持續處于雪崩擊穿狀態。這也是為何大多數齊納二極管都是在 mA 級反向電流下進行參數表征，此時可觀察到更穩定的 Vz。

圖 2 50uA 時 Vz 為 39V

圖 3 展示了 TI 的 BZX84C8V2 與某款競品 8.2V 齊納二極管在 50uA 測試電流下的 Vz 漂移情況。TI 二極管的峰值間電壓更低，且具有更小的響鈴，更快趨穩的 Vz。在這些較低的測試電流下，噪聲現象更為明顯，而 TI 的設計在所測試的二極管中表現出較低的峰值間噪聲。

圖 3 50uA 時 Vz 為 8.2V

從理論上講，隨著測試電流的增加，峰值間噪聲應會減小，因為更大的電流能在施加等于或高于 Vz 的電壓時維持雪崩擊穿狀態。由于工藝技術的差異，維持雪崩擊穿所需的電流可能因供應商而異。TI 的齊納二極管在測試電流增大時持續展現出較低的噪聲，而部分競爭產品在 500uA 下噪聲反而更高。

圖 4 500uA 時 Vz 為 8.2V

示例應用程序

齊納二極管常用于具有監控功能的電池組設計，可用于檢測電芯過壓/欠壓、過熱，以及充放電過流等情況。在低電流下表征的齊納二極管非常適合應用于電池管理單元的低功耗模式，此類模式下通常只能消耗幾 uA 電流。齊納二極管在電池組設計中的廣泛應用不僅限于電壓調節，還用于對諸如 MCU GPIO 或電池監控 IC 的溫度傳感器引腳等只能承受幾伏特的敏感電路提供鉗位保護。當齊納二極管遇到瞬態脈沖，且偏置電流很小甚至沒有時，過沖可能會更加嚴重。在這類場景中，能在低電流下保持穩定 Vz 的齊納二極管可實現更穩定的鉗位電壓。

在下方所示的電池組參考設計的簡化電路中，當開關(SW) 觸發時，電芯 1 的電壓可能會發生波動。若該電壓未被鉗位至絕對最大額定電壓以下，電池監測 IC 的溫度檢測引腳可能受損。喚醒后電壓監控將恢復正常，但仍需使用 D1 齊納二極管以調節直流電壓和/或鉗位瞬態電壓。

圖 5 簡化的電池監控器保護電路

還需要 D2 齊納二極管以實現鉗位瞬變，這可能會損壞連接到電池組 +/- 連接的外部充電/放電控制 FET 的 V_GS。在電池側，電芯均衡 FET 也需要瞬態鉗位保護。

圖 6 簡化的電池電芯保護電路

此電池組參考設計中還有一個 CAN 收發器，它使用 5.6V 齊納二極管來鉗制 5V 電源的任何電壓峰值。

圖 7 電源引腳保護或穩壓電路

在備用電池單元等電池供電應用中，為了最大限度延長續航時間，電源系統通常需在低電流下運行。下圖中的 D1 和 D2 齊納二極管用于將降壓/升壓控制器的 BOOT 至 SW 節點電壓保持在絕對最大額定值以下。這些開關節點可能會響鈴，導致 BOOT 至 SW 電壓達到峰值。與業內常規齊納二極管相比，TI 的產品具備更低電容。這一點對于開關節點電源尤為關鍵，有助于降低因寄生電容引起的額外開關損耗。

圖 8 降壓/升壓控制器 SW 節點保護

結語

齊納二極管是電力電子中不可或缺的元件，廣泛應用于多個市場，為系統提供經濟且可靠的電壓調節與鉗位保護。但是，由于齊納噪聲現象的存在，需要表征低電流下的齊納二極管性能來提供穩定的電壓調節。TI 的低噪聲齊納二極管可在低至數 uA 的電流下仍保持穩定擊穿電壓，從而有效解決這一限制。詳細了解并在此處瀏覽我們的齊納二極管選型：齊納二極管。