在電子系統(tǒng)中,當單顆MDD穩(wěn)壓二極管(Zener Diode)無法滿足電壓、電流或功率要求時,多顆二極管并聯(lián)或串聯(lián)使用便成為一種常見解決方案。然而,多顆配置雖然看似簡單,實則隱藏著諸多設計陷阱。如果未加以合理匹配或保護,反而可能引起電壓不穩(wěn)、熱失控、器件損壞等問題。作為現(xiàn)場應用工程師(FAE),我們必須深刻理解其工作機制,指導客戶合理使用多顆Zener配置,提升電路可靠性。
一、串聯(lián)使用:提升穩(wěn)壓電壓的有效手段
1.應用場景
當所需穩(wěn)壓電壓高于單顆Zener擊穿電壓上限(如需15V、24V或更高電壓)時,可采用多顆Zener串聯(lián)疊加電壓。例如,兩個6.8V Zener串聯(lián)后可獲得約13.6V的穩(wěn)壓電壓。
2.設計要點
選型配對:盡量選用同型號、同批次的器件,以減少電壓偏差。
溫度一致性:串聯(lián)器件應靠近布置,確保受熱一致,防止某顆器件因溫漂特性不同而承擔不均壓。
加平衡電阻:為防止電壓不均勻分擔,可在每顆Zener并聯(lián)一個高阻值電阻(如100kΩ~1MΩ)進行電壓均衡。
總功耗計算:串聯(lián)后,總電壓為各Zener之和,但電流一致,因此各顆器件的功耗需分別計算,確保不超額。
3.注意事項
電壓容差累計:Zener二極管本身存在±5%或±10%的容差,串聯(lián)后會疊加誤差,需考慮整體穩(wěn)壓精度。
總功率限制:若單顆Zener最大功率為1W,串聯(lián)后總功耗不能超過每顆額定功率。
二、并聯(lián)使用:擴展電流能力與冗余備份手段
1.應用場景
在高電流鉗位、浪涌吸收等場合,單顆Zener的功耗不足以承受負載,可將多顆相同電壓的Zener并聯(lián)分擔電流,例如在TVS應用中。
2.并聯(lián)的核心挑戰(zhàn):分流不均
由于Zener的擊穿電壓具有微小差異,哪怕相差幾十毫伏,也會導致電流集中在壓值最低的那顆器件上,使其提前過熱擊穿,繼而失效,電流轉移至下一顆,最終形成“多米諾失效”。
3.解決辦法
選型嚴格匹配:使用同型號、同批次器件,同時優(yōu)選“精密等級”(如±2%以內(nèi))的Zener。
加限流電阻:為每顆Zener串聯(lián)小電阻(如1Ω~10Ω),幫助電流自動均衡。
選擇專用器件:如大功率單體Zener或TVS陣列芯片,避免分立并聯(lián)導致的問題。
用熱設計輔助均流:避免某一顆散熱效果過好或過差導致負載不均。
4.實戰(zhàn)舉例
在某客戶設計的RS485通信口浪涌保護電路中,采用了兩顆18V/1W Zener并聯(lián)用于共模浪涌抑制。但實測發(fā)現(xiàn)其中一顆Zener異常發(fā)熱并失效。通過分析,發(fā)現(xiàn)兩顆器件Vz存在40mV偏差,且未加入限流電阻。后續(xù)通過在每顆Zener前串聯(lián)4.7Ω電阻后,電流明顯均分,器件溫升顯著降低,系統(tǒng)恢復穩(wěn)定運行。
三、替代與進階方案
串聯(lián)Zener替代高壓參考源:對于需要精確電壓源的應用,推薦改用TL431等可調(diào)精密參考源,其輸出更穩(wěn)定,溫漂更小。
并聯(lián)使用時優(yōu)先考慮TVS陣列器件:如ESD、浪涌吸收等應用,TVS二極管在制造中已進行電壓匹配,遠比人工分立匹配更可靠。
所以說,多顆MDD Zener二極管串并聯(lián)使用雖然可以突破單器件的電壓、電流或功率限制,但若設計不當,則容易因參數(shù)差異導致不均壓、不均流、器件熱失控等問題。作為FAE,我們應深入理解其電氣行為,引導客戶在產(chǎn)品選型、布局設計、熱管理等方面采取有效措施,提升系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性。真正做到“用對
一顆二極管,守住一整個系統(tǒng)”。