稳压管电阻随电压的变化

当回路中的电流IZ上升时，动态电阻RZ两端的压降（IZ×RZ）亦会上升，则输出电压Vo也会上升，动态电阻RZ越小则输出电压Vo变化越小，也就是说稳压能力更佳

一、历史渊源

齐纳二极管是由Clarence Melvin Zener发明的。Zener是一名美国的物理学家，1930年从哈佛大学博士毕业，是他首次描述了齐纳二极管的反向击穿特性。

齐纳二极管被重度掺杂以降低击穿电压。这导致了一个非常薄的耗尽区域。因此，在耗尽区域内存在一个强电场。在齐纳击穿电压（VZ）附近，电场的强度足以将电子从其价带中拉出来并产生电流。

击穿电压小于约5V的齐纳二极管属于齐纳击穿。那些击穿电压大于5V的齐纳二极管属于雪崩击穿。然而，这两种击穿类型都被称为齐纳二极管。其击穿电压从小于1V到超过250 V，规定容差从1%到20%。

二、稳压二极管工作原理

引言：由稳压二极管所构成的稳压电路是最简单的线性稳压电源，是设计其它复杂稳压电源的基础。只有深入掌握了简单稳压电路的分析方法和设计思想，才能通过举一反三设计出复杂的稳压电路。在此过程中，应首先夯实电路分析基础理论，并学会用数学语言描述电路，同时还应掌握一些电路仿真软件的使用（如Multisim，LTspice，Tina，Pspice，立创EDA等）与仿真程序（SPICE）的编写。

2.1 稳压二极管概述

稳压二极管（zener diode），也称齐纳二极管。它的特点是利用PN结反向击穿时，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变，从而起到稳压作用。稳压二极管是根据击穿电压来分档的，广泛用于稳压电路和限幅电路中，其电路图符号及常见稳压二极管外形如图1-1所示。

普通二极管与稳压二极管在结构、工作特性、掺杂程度等方面都存在不同，如表1-1所示为二者区别。

表1- 1：稳压二极管与普通二极管的区别

2.2 稳压二极管伏安特性

2.2.1 二极管通用特性

（1）正向偏置
如图1-2所示，对于普通二极管，当其处于正向偏置时，其伏安特性曲线对应函数式为

式（1-1）

式中，Is—方向饱和电流；
vD—施加给二极管两端电压；
VT—温度的电压当量（thermal voltage）=T/11600，常温下VT=300K/11600=26mV；

—常数，硅管为2，锗管为1。
结合图1-3所示二极管IN4007的伏安特性曲线，该伏安特性曲线受温度影响明显，当施加给二极管两端电压不变时，约0.82V，则随着温度升高，流过二极管的电流明显增大，电流分别从25℃时的0.1A，到100℃时的0.42A，再到125℃时的0.82A,即依次从A→B→C。当温度从25℃升高到125℃过程中，同样流过二极管正向电流（forward current）为0.1A的情况下，其对应的正向电压（forward voltage）随温度上升而减小，表现出负温度系数。从图中的水平横线AGH可知，在固定前向电流情况，随着温度升高，VI特性曲线左移（即前向电压减小），工程上一般取-2mV/℃，意味着温度每升高1℃，前向电压减小2mV，从A点左移至H点，温度从25℃上升至125℃，二极管前向电压减小量为（125-25）*2mV=200mV，与图中所示A、H点压差0.82-0.66=160mV较为接近。可见，二极管VI特性对温度很敏感。正因为二极管对温度的敏感性，即利用其负温度系数，工程上可通过采集不同温度下二极管两端电压，计算出二极管两端电压变化量，从而换算出实际温度，这就是二极管温度传感器测温原理。如图1-3(b)为二极管测温原理示意图，VS与R构成一个戴维南等效电路，实际中也可用电桥代替，ADEF为其对应负载线，从图中可知，负载线与二极管正向VI曲线交于ADE点，各点温度依次升高，通过测量各温度下二极管两端电压，即可算出所测温度。

图1- 3：IN4007伏安特性曲线温度分析

（2）反向偏置

反向饱和电流（Reverse Saturation Current）通常很小，范围从纳安到微安，取决于结面积、温度和半导体材料。从图1-1可知，当二极管处于反偏未击穿时，VI曲线下移，说明随着温度升高，反向饱和电流增大，工程上一般认为，每升高10℃，反向饱和电流增加一倍，如公式1-2所示

式中：T1—起始温度；
T2—变化后的温度；
ID(T1)—温度为T1时的反向饱和电流；
ID(T2)—温度为T2时的反向饱和电流；

例1：若当TJ=25℃时，二极管反向饱和电流为ID(T1)=30nA，求节温TJ=35℃和45℃时的反向饱和电流ID(35℃)，ID(45℃)。
解：由式（1-2）得：
TJ=35℃时，ID(35℃) = 30nA × (2(35-25)/10) ≈ 60nA。
TJ=45℃时，ID(45℃) = 30nA × (2(45-25)/10) ≈ 120nA。

峰值反向漏电流（Peak Reverse Leakage Current）是当二极管反向偏置并受到峰值反向电压时流过的最大电流，是在指定的温度下测量的，由反向饱和电流与所施加的反向电压决定。当反向偏置电压和反向饱和电流达到最大时，反向漏电流出现峰值。对于理想的二极管，反向漏电流与反向饱和电流相等。实际中，二极管PN节内电流可能还有其它泄漏路径，如当二极管被贴片在PCB板上时，由于表面污垢等影响而产生的漏电流，因此漏电流往往比饱和电流大。如下图为IN4007数据手册中对反向漏电流的描述，给二极管施加最大额定反向直流电压1000V，分别测得温度为25℃与125℃时的最大反向漏电流，可知反向漏电流受温度影响明显。

图1-4为基于Multisim的1N4007仿真分析，图1-4(b)为对反向电压进行直流扫描，反向电压范围为0-1000V，从图中可知，随着反向电压增大，反向饱和电流维持恒定，约32nA，相当于断开，体现了二极管的单向导通特性。图1-4(a)为当反向电压为20V时，对温度进行扫描，扫描范围为20~150℃，从图中可知，40℃时反向饱和电流为62nA，60℃时反向饱和电流为147nA。根据公式1-2，并基于TJ=40℃，ID(40℃) =62nA来计算ID(60℃) =62nA× (2(60-40)/10) ≈ 248nA，其结果偏离仿真值147nA较大，考虑到仿真条件较为理想，可认为每上升10℃，反向饱和电流增加70%，则ID(60℃) =62nA× (1.7(60-40)/10) ≈ 179nA。

图1- 4：1N4007反向饱和电流与反向电压、温度的关系

2.2.2 稳压二极管伏安特性

稳压二极管是非线性元件，它的伏安特性曲线是非线性的。当稳压二极管处于正向偏置时，即工作在图1-5中的第一象限时，其伏安特性曲线与普通二极管一致。当稳压二极管处于反向偏置且当所施加的反向偏置电压小于|VZ|时，流过稳压管的反向电流几乎为0，可等效为开路状态。随着所施加的反向偏置电压增大，当超过|VZ|时，稳压管被击穿，此时VI曲线很陡，电压变化量很小，引起急剧的电流变化。曲线越陡，动态电阻越小，稳压管的稳压性能越好。IZ(min) 和IZ(max) 为稳压管工作在正常稳压状态的最小和最大工作电流。反向电流小于IZ(min) 时，稳压管进入反向特性的转弯段，稳压特性消失；反向电流大于IZ(max)  时，稳压管可能被烧毁。

图1- 5 稳压二极管伏安特性曲线

2.3 稳压二极管主要参数

1、稳压值VZ

它是在稳压管工作在击穿区时在规定测试电流下的电压。同一型号的稳压管VZ存在一定的差异性，但就某一只管子而言，VZ是确定的。以BZV55C5V1为例，其稳压值VZT范围为4.8V~5.4V，标称稳压值VZnom为5.1V，该稳压值是在规定测试电流IZT=5mA的情况下测得的。

2、最小工作电流IZ(min)或IZK

必须大于该值，才能保证稳压管被击穿，IZK也称拐点电流。图1-6为BZV55C5V1数据手册节选，从中可得稳压管的拐点电流为IZ(min)=IZK=1mA。

图1- 6 BZV55C5V1稳压管数据手册节选

3、耗散功率（Total power dissipation）Ptot

Ptot为稳压管最大工作电流与击穿电压之乘积，Ptot=VZ×IZ(max)，当稳压管功耗超过该值时，将会因为结温过高而损坏，图1-7所示为稳压管BZV55C5V1的耗散功率Ptot=500mW。

图1- 7 BZV55C5V1稳压管耗散功率

4、最大工作电流IZ(max)

该值可通过Ptot=VZ×IZ(max)计算出。由于Ptot=500mW，VZ=5.1V，可算出IZ(max)=500mW/5.1V=98mA。

图1- 8 BZV55C5V1稳压管动态电阻与工作电流的关系