”三端稳压“各类反向击穿情况的分析与防护！

概述

集成稳压器‘应用测试过程’中，任意两个管脚之间严格禁止出现瞬态的‘反偏’状态（包括mS级的瞬态反偏），否则电路有可能在瞬间被反偏击穿烧毁。

电路有可能出现反偏击穿的外部状态：GND→IN、OUT→IN、GND→OUT、ADJ→OUT，应用中要求：GND →IN≤|-1V|,其他管脚间为≤|-5V|。

【以上几种现象损坏的稳压器、可以通过电路解剖观察芯片有不同的烧毁痕迹。】

在测试或装配过程中‘人为疏忽’造成‘反接’状态，是“没有什么措施可以保护”的。如：发生管教倒置，输入电压极性接反、样品规格与使用规格不符等情况，必须操作中细心的加以防止。

在特定情况下有应用电路产生的‘瞬态’的反偏状态，可以参考推荐保护措施增加相应保护元件还是可以避免的，当缺少相应的保护元件时‘偶发’条件下稳压器电路的随机损坏的情况将不能避免这种情况引起的电路失效不属于电路产品质量问题。

排除人为不当造成的电路出现反偏情况，常见的由应用电路在特定条件下产生的‘瞬态’反偏状态及击穿机理进行简要的描述和分析：

1、OUT→IN端反偏：

产生来源：

①负载时对电池类的充电应用，断电时电池并未脱离电路输出端。

②电路输入存在有大的负向脉冲，如果电路输入同时存在较大的感性负荷的反电动势。

③电路输出端接入大的滤波电解电容。（发生较多的反接击穿情况）

保护措施： 在电路I-O端之间增加保护二极管Di，将I-O反偏电压钳位在1V以内。

机理分析： 只要不是稳压电路输出应用环境造成的工作条件，应用中在电路输出端不应接入大的滤波电解电容。接入这个电解有可能造成一个电路的OUT→IN端之间的‘反接’机会。

理论上，只要电源的输入滤波电解足够大，可以保证即使在稳压电路输入电压处于纹波‘谷点’时也可以满足电路稳压必须的最小输入压差的特定要求。电路自身具有很强的纹波抑制能力，根本没有必要在输出端接滤波电解电容。

接输出端的滤波电容对于电源滤波所起的作用很小，这个电容有时反而会造成意外损坏稳压器电路的特定条件。

不推荐在输出端接滤波电容式由于电容的‘储能作用’，电容充电后可等效为一电池，在特定的情况下，如输入电压在瞬间的短路，感性元器件产生的负脉冲或关机后输入电压下降更快时，有可能造成电路VO＞VI的电位反偏状态。在输出端接滤波电容＞20μF以后，电路调整管的反偏-5V左右。输出电容的放电过程可能在mS量级的瞬态反向击穿或损伤电路调整管，输出电容容量越大，反偏电压越高，对调整管损伤越严重直至烧毁。

附带的建议：50Hz市电整流滤波应用时，CD值为每1A负载电流取2000μf范围，否则输入纹波可能较大。在稳压电路的输入电压已经很低时，就可能造成（Vi-Vo）低于电路工作时允许的最小压差（Vi-Vo）min，出现电路瞬间脱离稳压控制的状态。

电路脱离稳压状态时输出不等比跟踪输入变化。在(Vi-Vo)≥(Vi-Vo)min时，输出电压稳定在途中的直线Vo段，在(Vi-Vo)＜(Vi-Vo)min时，由于这时电路脱离稳压状态，输入的纹波电压几乎完全镜象到电路输出，这时稳压电路的纹波抑制比功能此时不会起作用，对外表现电路稳压特性很差或电路不能稳压。如下图中Vo为稳压时的值、Vo'为用直流电压表的测量的平均值、Vd为镜像到输出的输入纹波谷点电压。

2、GND→IN端反偏：

产生来源： 在汽车类电子领域的电路应用中发生较多，如部分车型的汽车马达、点火系统等感性设备产生的约50-200mS脉宽范围的瞬态微分峰值电压可达+70V、-80V范围，5-20mS脉宽范围的可能达到+110V、-250V范围。其中的负向脉冲造成了这种反偏。（正想脉冲可能造成电路输出出现‘瞬态’过压击穿烧毁）

保护措施： 将反偏电压钳位在1V以内，对于负向脉冲增加Df进行抑制。

3、GND→OUT端反偏：

产生来源：

①来自正负输出配对应用，当正负输出的公共负载发生瞬态的短路时。

②电路输出存在有大的感性负荷，较大的反向电动势产生的负向脉冲。

③为获得高于稳压器标称值的电路输出，输出电压被Dz抬起一个固定电压值（如下图），没有保护二极管D的情况下，输出存在瞬态的短路情况。

由于设计算短稳压器电路正常工作时，电路的公共端的电位应是最低的（绝对值），无论任何原因造成电路GND端电位高于其他两端电位的情况，即属于电路的‘反偏’状态，反偏电位的绝对值达到5V以上时，mS量级脉宽的瞬态‘反偏’就会造成内部电路的相关区域受损或烧毁。这种击穿是随机发生的现象，不同批次产品或同批次产品发生概率可能不同。

保护措施： 应将反偏电压钳位在1V以内。增加途中二极管D。

4、Adj→OUT端反偏：

可调三端稳压器典型应用电路

产生来源： 从可调系列电路的典型应用电路图可以看出，应用中调整端Adj的电位应永远低于输出端OUT的电位，参考OUT端的电位而言Vadj=VREF=-1.25V。

在输出电压取样回路中，VR2=Vadj=VO-VREF=VO-1.25V≈VO，可见在可调系列电路读书处取样回路中，电压几乎是全部的降在可调电阻R2上。因此、VC3=VR2≈VO。

产生VO-ADJ端‘反接’的原因：应用中在可调系列电路时，在输出下取样电阻的两端并联一支10μ~47μ的输出纹波抑制电解C3，这个C3确实可起到减小输出纹波电压的作用（注意：纹波参数测试时，对C3的容量也是有具体要求的）。但因有VC3=VR2≈VO的存在，接入这个电解也创造了一个ADJ→VO端之间的电路‘反接’机会。

可调三端内部电路简图

从内部电路的局部电路图中可以看出，在VO-Adj端的反偏足够大时，Q17的EB结就可能因为电压反偏被击穿，但足可以烧毁与电阻R14相关的电阻体、10~20μm宽的铝引线层、引线孔等局部电路部分。当外部表征为器件的输出电压不能进行调整时，这时电路已经失效了。

造成这类击穿由于三极管的BVEBO是很低的（不妨用分立器件的三极管实测一下）。从图中可以看出、接于Adj端的C3是通过调整电流Iadj进行充电的，但C3被充电后自身是没有‘低阻的’放电通路的。如果应用中设点VO较高，由于VC3≈VO，必然有C3两端的电压VC3也很高。如这时出现VO≈0时的瞬间‘短路’状态，必然造成Adj→VO端的反偏击穿，C3储存的能量通过调整端内部电路进行逆向放电（放电通路用虚线表示）。

在C3＞10μF、VC3＞5V以后，仅需mS量级的瞬态，就有可能烧伤稳压器调整端内部的局部电路，由于烧毁所需能量很小，因此显微镜下观察这种造成电路失效的烧痕最小，一般仅在20μm×20μm范围以内。

保护措施： 增加典型应用电路图中的反向钳位二极管DO。

防止测试中电路样品异常损坏：

针对正压可调系列电路，测试仪器使用前应明确必须有反向钳位二极管DO存在。

其理由很简单： 对于正可调系列金属封装的电路，金属壳体的装配孔为第三引出端、并被定义为电路的输出端。对样品进行测试时、先接触插座的肯定是插入孔中的1脚、2脚，即输入端和调整端，一旦1脚、2脚插入后、电源立刻通过调整电流Iadj对接在C3充电。如设定的VC3较高、最后接触插座的输出端可能存在短路的条件时（可参考下方C-V图的△t瞬间），就有可能在测试中烧伤稳压器调整内部的局部电路。声明：由这种情况造成测试后电路样品失效不是个案。

电子电路，发光二级管，整流二极管，反向击穿

1、二极管或与逻辑

图1

a.输入有两个电平，当高电平（H）相对于“1”、低电平（L）相对于“0”时，叫做正逻辑。在数字电路中基本的器件是NPN型三极管，用的是正电源，一般采用正逻辑。

b.如果输入A、B中任何一个或两个是高电平，则有一个或两个二极管导通，输出端就出现高电平，也就是说由于输入A、B中有一个或两个是“1”时，输出即为“1”，所以这是或门电路。

图2

c.对于低电平为“1”，高电平为“0”的负逻辑来说，则变为与门电路。这种负逻辑的电路特征往往用于PNP型晶体管逻辑电路或PMOS逻辑电路中。

图3

d.在图4中对于正逻辑只有当A、B都为高电平时，两个二极管都截止，输出才为高电平。也就是说，只有A、B都为“1”时，输出才为“1”，所以为与门电路。

图4

e.对于负逻辑则变为或门电路。

二极管的特性：

二极管（英语：Diode），电子元件当中，一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过。许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管（Varicap Diode）则用来当作电子式的可调电容器。

大部分二极管所具备的电流方向性，通常称之为“整流（Rectifying）”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过（称为顺向偏压），反向时阻断 （称为逆向偏压）。因此，二极管可以想成电子版的逆止阀。然而实际上二极管并不会表现出如此完美的开与关的方向性，而是较为复杂的非线性电子特征——这是由特定类型的二极管技术决定的。二极管使用上除了用做开关的方式之外还有很多其他的功能。

1、正向性

外加正向电压时，在正向特性的起始部分，正向电压很小，不足以克服PN结内电场的阻挡作用，正向电流几乎为零，这一段称为死区。这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压。当正向电压大于死区电压以后，PN结内电场被克服，二极管正向导通，电流随电压增大而迅速上升。在正常使用的电流范围内，导通时二极管的端电压几乎维持不变，这个电压称为二极管的正向电压。

2、反向性

外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流。由于反向电流很小，二极管处于截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流，二极管的反向饱和电流受温度影响很大。

3、击穿

外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为电击穿。引起电击穿的临界电压称为二极管反向击穿电压。电击穿时二极管失去单向导电性。如果二极管没有因电击穿而引起过热，则单向导电性不一定会被永久破坏，在撤除外加电压后，其性能仍可恢复，否则二极管就损坏了。因而使用时应避免二极管外加的反向电压过高。

二极管是一种具有单向导电的二端器件，有电子二极管和晶体二极管之分，电子二极管现已很少见到，比较常见和常用的多是晶体二极管。二极管的单向导电特性，几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。

二极管的管压降：硅二极管（不发光类型）正向管压降0.7V，锗管正向管压降为0.3V，发光二极管正向管压降会随不同发光颜色而不同。主要有三种颜色，具体压降参考值如下：红色发光二极管的压降为2.0--2.2V，黄色发光二极管的压降为1.8—2.0V，绿色发光二极管的压降为3.0—3.2V，正常发光时的额定电流约为20mA。

二极管的电压与电流不是线性关系，所以在将不同的二极管并联的时候要接相适应的电阻。

二极管的原理

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二极管工作原理（正向导电，反向不导电）

晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成了空间电荷层，并且建有自建电场，当不存在外加电压时，因为p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 当产生正向电压偏置时，外界电场与自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流（也就是导电的原因）。 当产生反向电压偏置时，外界电场与自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围中与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0（这也就是不导电的原因）。

当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

反向击穿

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反向击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。在高掺杂浓度的情况下，因势垒区宽度很小，反向电压较大时，破坏了势垒区内共价键结构，使价电子脱离共价键束缚，产生电子-空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。如果掺杂浓度较低，势垒区宽度较宽，不容易产生齐纳击穿。

雪崩击穿

另一种击穿为雪崩击穿。当反向电压增加到较大数值时，外加电场使电子漂移速度加快，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生新的电子-空穴对。新产生的电子-空穴被电场加速后又撞出其它价电子，载流子雪崩式地增加，致使电流急剧增加，这种击穿称为雪崩击穿。无论哪种击穿，若对其电流不加限制，都可能造成PN结永久性损坏。

应用

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1.整流

整流二极管主要用于整流电路，即把交流电变换成脉动的直流电。整流二极管都是面结型，因此结电容较大，使其工作频率较低，一般为3kHZ以下。

2.开关

二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。

3.限幅

二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。

4.续流

在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起续流作用。

5.检波

检波二极管的主要作用是把高频信号中的低频信号检出。它们的结构为点接触型。其结电容较小，工作频率较高，一般都采用锗材料制成。

6.阻尼

阻尼二极管多用在高频电压电路中，能承受较高的反向击穿电压和较大的峰值电流，一般用在电视机电路中，常用的阻尼二极管有2CN1、2CN2、BSBS44等。

7.显示

用于VCD、DVD、计算器等显示器上。

8.稳压

这种管子是利用二极管的反向击穿特性制成的，在电路中其两端的电压保持基本不变，起到稳定电压的作用。常用的稳压管有2CW55、2CW56等。[1]

9.触发

触发二极管又称双向触发二极管（DIAC）属三层结构，具有对称性的二端半导体器件。常用来触发双向可控硅；，在电路中作过压保护等用途。 [2]

类型

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二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、隔离二极管、肖特基二极管、发光二极管、硅功率开关二极管、旋转二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。 [2]

发光二极管

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发光二极管也是由一个 PN 结构成，具有单向导电性。但其正向工作电压(开启电压)比普通二极管高，约为 1～2.5V，反向击穿电压比普通二极管低，约 5V 左右。当正向电流达到 1mA 左右时开始发光，发光强度近似与工作电流成正比；但工作电流达到一定数值时，发光强度逐渐趋于饱和，与工作电流成非线性关系。一般小型发光二极管正向工作电流为10～20mA，最大正向工作电流为 30～50mA。

发光二极管的外形可以做成矩形、圆形、字形、符号形等多种形状，又有红、绿、黄、橙、红外等多种颜色。它具有体积小、功耗低、容易驱动、光效高、发光均匀稳定、响应速度快以及寿命长等特点，普遍用在指示灯及大屏幕显示装置中。

2、三级管非逻辑

图5

如输入为高电平，三极管则导通，输出产生低电平；如果输入为低电平，则三极管截止，输出产生高电平，可作为非门使用。

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