什么是二極管的耗散功率?

二極管是電子設(shè)計(jì)中最常見的器件之一。根據(jù)應(yīng)用的場(chǎng)合，工程師們更關(guān)注二極管的類型、正向電流、反向耐壓和開關(guān)時(shí)間等。相對(duì)來(lái)說(shuō)，耗散功率(Power Dissipation)也是同等重要。

眾所周知，二極管具有單線導(dǎo)電性。根據(jù)半導(dǎo)體材料，分為硅二極管和鍺二極管;據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，分為整流二極管、檢波二極管、開關(guān)二極管和穩(wěn)壓二極管。

圖1 常見二極管

對(duì)于一些場(chǎng)合，比如電源整流，需要考慮耗散功率問(wèn)題。耗散功率的定義：某一時(shí)刻電網(wǎng)元件或者全網(wǎng)有功輸入總功率與有功輸出總功率的差值。在線性條件下，導(dǎo)通的耗散功率計(jì)算比較簡(jiǎn)單，PD=I2R,或者PD=U2/R。在開關(guān)狀態(tài)下，計(jì)算相對(duì)比較復(fù)雜。

二極管的耗散功率與允許的節(jié)溫有關(guān)，硅二極管允許的最大節(jié)溫是150℃，而鍺允許最大節(jié)溫85℃。半導(dǎo)體工作溫度是有限的，當(dāng)實(shí)際的功率增大是，其節(jié)溫也將變大，當(dāng)節(jié)溫達(dá)到150℃是，此時(shí)的功率就是最大的耗散功率。當(dāng)然，耗散功率與封裝大小也有一定的關(guān)系，通常封裝大點(diǎn)的器件，其最大耗散功率也相對(duì)大點(diǎn)，最常見的就是大功率器件擁有大體積，大面積的散熱金屬面。

一個(gè)具體型號(hào)的二極管其耗散功率與測(cè)試條件有關(guān)，比如測(cè)試環(huán)境溫度和散熱條件。通常情況下，測(cè)試出來(lái)的最大耗散功率是在25℃下。隨著環(huán)境溫度的升高，其最大的耗散功率將減少，因?yàn)樵摋l件下的導(dǎo)熱溫差變小，比如說(shuō)在25℃下，某二極管耗散功率能達(dá)到1W，在75℃情況下，耗散功率可能變成0.4W。允許最大耗散功率與散熱條件有關(guān)，散熱條件越好，耗散功率越高，在同一環(huán)境溫度下，耗散功率為1W，加了散熱片之后，耗散功率可能變?yōu)?.7W。

表征散熱措施的一個(gè)參數(shù)是熱阻。熱阻反映阻止熱量傳遞能力的綜合參量。熱阻跟電子學(xué)里的電阻類似，都是反映“阻止能力”大小的參考量。熱阻越小，傳熱能力越強(qiáng);反之，熱阻越大，傳熱能力越小。從類比的角度來(lái)看，熱量相當(dāng)于電流，溫差相當(dāng)于電壓，熱阻相當(dāng)于電阻。其中，熱阻Rja：芯片的熱源結(jié)到周圍冷卻空氣的總熱阻，其單位是℃/W，表示在1W下，導(dǎo)熱兩端的溫差。

以1N4448HWS為例，查看其手機(jī)手冊(cè)，可知其熱特性如下：

圖2 熱特性參數(shù)

從中可知，其耗散功率PD=200mW，熱阻為625℃/W，其中這兩個(gè)量是環(huán)境溫度25℃，焊在FR-4材質(zhì) PCB條件下測(cè)試的，如手冊(cè)說(shuō)明Part mounted on FR-4 PC board with recommended layout 。

耗散功率與環(huán)境溫度有關(guān)，溫度越大，耗散功率越小，1N4448HWS耗散功率與環(huán)境溫度關(guān)系如下:

圖3 耗散功率與環(huán)境溫度關(guān)系

在0～25℃是，耗散功率恒為200mW，在25～150℃時(shí)，線性遞減，到達(dá)150℃，耗散功率為0，在這個(gè)溫度，硅管已經(jīng)不能工作了。從這個(gè)表中，可以計(jì)算出熱阻，其線性部分斜率倒數(shù)||=Rja

=625℃/W。根據(jù)這個(gè)表，可得PD=- (TA-25)+0.2，(TA-≥25),根據(jù)這個(gè)公式，可計(jì)算出不同環(huán)境溫度下最大的耗散功率。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，人們更關(guān)注器件工作時(shí)的溫度，以確保在安全的工作范圍。以1N4448HWS為例，在環(huán)境溫度為25℃情況下，實(shí)際功率為100mW時(shí)，其溫度為25+625*0.1=87.5℃，其能正常工作;當(dāng)實(shí)際功率為200mW時(shí)，其溫度為25+625*0.2=150℃，這時(shí)候已經(jīng)達(dá)到節(jié)溫的最大溫度了，比較危險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)避免。

二極管的傳熱方面，主要考慮PD和熱阻Rja，前者是最大耗散功率，實(shí)際工作不能超過(guò)這個(gè)數(shù)值，后者是傳熱阻力參量，放映不同二極管的傳熱能力。在使用二極管時(shí)，不但要考慮正向電流、反向耐壓和開關(guān)時(shí)間，還要多考慮耗散功率。