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肖特基二极管
随着无线设备变得更加复杂,以及消费者需要更长的电池使用时间,制造商需要尽可能地省电。消耗相当大部分电量的一个领域是液晶显示屏(LCD)屏幕的LED背光。为了驱动这些LED,使用升压电路来将电池电压升到足以克服LED正向电压降的电压电平。为升压电路选择恰当的肖特基二极管,可以帮助降低系统的总功率耗散。因此,根据总功耗性能而非器件各个参数来定义肖特基二极管,是一种更可取的方式。
过去,定义新肖特基二极管的主要参数是正向电压及反向漏电流。影响这些规格参数的两项主要因素是肖特基势垒金属及肖特基接触面积。由于这些参数均取决于相同的变量,就必须在这两项参数之间进行折中取舍。正向电压下降时,反向漏电流上升,反之亦然。由于业界已在不断推动降低正向电压,反向漏电流已经稳步上升。如今已经到达这样一个点:进一步降低正向电压就会导致反向漏电流更大程度的上升,使总功耗增大。此外,仍然常见人们认为正向电压是影响功耗的主要因素,反向漏电流则没那么重要;而这不再必然是对的。例如,如果升压转换器的输出电压远高于输入电压,就导致占空比会极大。升压转换器的占空比越大,肖特基二极管的反向偏置时间就越长。除了占空比更大,升压转换器的输出电流也会达10~40mA。这通常是升压转换器用于无线设备的LED背光应用的案例。表1中比较了安森美半导体优化了升压的肖特基二极管(器件1)与另一款市场上常见的低正向电压肖特基二极管(器件2)。虽然器件2的正向电压低24%,但功耗高39%。
其中,D为升压转换器的占空比,PD为肖特基二极管功耗,Vout为升压转换器输出电压,Vin为升压转换器输入电压,IF为肖特基二极管平均正向电流,VF为电流为IF时的肖特基二极管正向电压,IR为肖特基二极管在Vout电压时的反向漏电流。
计算功耗的第一步是计算占空比。表1中器件2的值将用于计算占空比。在无线设备中,输入电压/电池电压可能低至2.5V。输出电压取决于LED的配置。一种常见的LED配置是单串10颗LED。白光LED的正向电压约为3.3V。基于这个配置,输出电压就是33V。器件2在电流为10mA时的正向电压为0.2V。在方程式1中代入这些值时,就得到占空比为92.5%。这表示肖特基二极管将在92.5%的时间内为反向偏置,仅在7.5%的时间内正向偏置。现在用表1中的器件2的值来计算功耗。当器件反向偏置时,电压为33V,漏电流约为100μA。器件反向偏置时的功耗就是3.3mW。现在来看看器件正向偏置的情况,电压为200mV,电流为10mA。这就可以得到正向偏置功耗为2mW。当结合这些值以及各种偏置的百分比时,就可以发现反向偏置产生的功耗是3.05mW,正向偏置为0.15mW。这示例显示,事实上大多数功耗是漏电流产生的。
上面的示例假定正向电流为10mA。重要的是记住,随着正向电流上升,正向偏置条件下耗散的功率就会增加得越多。然而,反向偏置功耗仍保持不变。根据这情况,可以得出结论,系统设计人员需要更多的低输出电流升压转换器而非大电流升压换器中的肖特基二极管的漏电流,以将总功耗降至最低。
审视宽输出电流范围条件下的功耗,将进一步显示出选择恰当的升压优化型肖特基二极管的重要性。图2描绘了3个相同尺寸器件的功耗:低正向电压(VF)肖特基、低反向漏电电流(IR)肖特基及升压优化型肖特基。如上所述，低漏电电流(IR)肖特基及升压优化型肖特基。如上所述,低漏电流器件在较低输出电流时的功耗较低,但随着电流上升,功耗更加快速地上升。当审视低正向电压肖特基二极管时,高漏电流在低输出电流时的影响非常明显。然而,它的功耗曲线没那么陡峭,在较高输出电流时的功耗变得比低漏电流器件低。升压优化型肖特基二极管结合了前述两种器件的优点,在低电流时拥有比低正向电压器件高得多的性能,而在较高电流时仍继续保持这样的趋势。它在低电流时并不比低漏电流器件优异,但在大电流时的省电效果明显。此外,升压优化型肖特基二极管顾及到了升压转换器中电感的大电流尖峰;而低漏电流器件在这些电流尖峰条件下的工作性能并不好。
低漏电流器件通常拥有比升压优化型肖特基二极管或低正向电压肖特基二极管更低的额定正向重复性峰值电流(IFRM)。低漏电流器件的正向电压在电流高于额定直流电流时往往极快上升。反之,低漏电流器件无法像其他肖特基二极管一样好地处理大电流尖峰。
根据功耗而非各个器件特性参数来定义肖特基二极管的重要性如今越来越高,因为在正向电压与反向漏电流之间的折中取舍变得更显眼。
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