BMS上的穩(wěn)壓二極管應(yīng)用場合介紹

最近遇到了穩(wěn)壓二極管漏電流偏大的案例,問題還在持續(xù)分析中,借助這個由頭,總結(jié)下穩(wěn)壓二極管方面的基礎(chǔ)知識。(圖片來源于VISHAY官網(wǎng))

穩(wěn)壓二極管的工作原理

定義:穩(wěn)壓二極管,英文名稱Zener diode,又叫齊納二極管;穩(wěn)壓二極管是二極管中的一種,由硅材料制成,也是一個PN結(jié),但是由于制造工藝不同,當(dāng)這種PN結(jié)處于反向擊穿狀態(tài)時,PN結(jié)不會損壞,并且當(dāng)電流在一定范圍變化時,穩(wěn)壓值幾乎不變;穩(wěn)壓二極管就是利用這種反向擊穿特性。(圖片來源于VISHAY官網(wǎng))

進(jìn)一步地,穩(wěn)壓值在4V以下的管子屬于齊納擊穿(可恢復(fù)),為負(fù)溫度系數(shù);而穩(wěn)壓值在7V以上的管子屬于雪崩擊穿(也可恢復(fù)),為正溫度系數(shù);4V～7V之間的穩(wěn)壓管,溫度系數(shù)非常小,齊納擊穿與雪崩擊穿可能都存在;穩(wěn)壓管在正向?qū)〞r為負(fù)溫度系數(shù)。(關(guān)于電壓劃分的邊界值,說法并不統(tǒng)一,有5V的、有6V的,不過基本都很接近)

下圖為穩(wěn)壓管的伏安曲線,可以分為4個區(qū)域。

正向?qū)▍^(qū)域與普通二極管特性相同,PN結(jié)正向偏置。

當(dāng)施加反向電壓在穩(wěn)壓管兩端,電壓VR由0逐漸增大,就進(jìn)入了截止區(qū)域,這個區(qū)域中穩(wěn)壓管不工作,會存在很小的漏電流IR。

當(dāng)反向電壓增加到VBR后,穩(wěn)壓管的漏電流開始迅速增大,穩(wěn)壓管開始進(jìn)入了擊穿區(qū)域;反向電壓達(dá)到VZ后,即使大幅度增加反向電流(從IZT到IZM),穩(wěn)壓值卻變化很小(VZ到VZM),這個就是我們想要的穩(wěn)壓狀態(tài)。

繼續(xù)增大反向電壓超過VZM后,穩(wěn)壓管上面的功率會出現(xiàn)超出最大限制值,進(jìn)而結(jié)溫過高而燒毀。

上面是科普文章中都會介紹的基本原理,在BMS中主要有如下幾個地方應(yīng)用穩(wěn)壓管。

BMS上面應(yīng)用穩(wěn)壓管的地方

電壓基準(zhǔn)源

例如大家熟悉的ADR504X系列,基本原理就是穩(wěn)壓管擊穿后穩(wěn)壓。

需要注意的是,這里的應(yīng)用場景需要穩(wěn)壓管持續(xù)工作在擊穿狀態(tài),而且電壓變化不能很大,以提供一個幾乎恒定的基準(zhǔn)電壓,這就要求ADR504X工作在一定的電流區(qū)間內(nèi)(50uA～15mA),電流太大了會燒毀穩(wěn)壓管;電流太小了電壓值不穩(wěn)定,稍微電流值有點變化,就會導(dǎo)致穩(wěn)壓值跳動;而且還要考慮負(fù)載的大小以及外部供電電壓的大小,折中選取一個符合要求的限流電阻。

MOS管或MCU輸入保護(hù)

這種用法就比較常見了,MOS管的柵極-源極之間為了防止過壓而并聯(lián)一個穩(wěn)壓管,如下圖所示;在單板正常工作時這個穩(wěn)壓管是處在反向截止?fàn)顟B(tài)下的,只有出現(xiàn)異常浪涌電壓時,穩(wěn)壓管才會被擊穿,將柵極-源極之間電壓鉗位住。

還有就是主控板上單片機(jī)的AD口或IO口處,會放置一個穩(wěn)壓管作保護(hù)。

因為這些場景下的保護(hù),不需要穩(wěn)壓管擊穿后的電壓多么穩(wěn)定,只要不超過被保護(hù)器件的極限電壓即可,所以穩(wěn)壓管前面的限流電阻在選取時,大小其實大家都沒怎么仔細(xì)關(guān)注,有點憑感覺的哈。

AFE的輸入防護(hù)電路

這個用法也是很常見的,例如ADI早期的LTC68XX系列的AFE,基本都會建議在采樣通道上面并聯(lián)一個穩(wěn)壓管,來實現(xiàn)熱插拔的防護(hù);這里的穩(wěn)壓管不僅實現(xiàn)了電壓鉗位,而且也有分流功能,讓一部分本來需要從AFE內(nèi)部流過的電流,而從穩(wěn)壓管流過,降低了內(nèi)部燒毀的風(fēng)險。

目前很多廠家的AFE都不需要增加這個穩(wěn)壓管了,而且我們從成本出發(fā)也是不想加,不過這個穩(wěn)壓管的防護(hù)作用是真實存在的;我之前體會過它的重要性,在某個應(yīng)用下,沒有這個穩(wěn)壓管的話,AFE就很容易熱插拔燒毀,你會聽到細(xì)小斷裂的聲音,然后就冒煙了。

總結(jié):

最近沒啥感悟,不多說了;以上所有,僅供參考。