学好模拟电路第一课:精准搞定稳压二极管的参数设计与实践应用

最近，有朋友私信我，问我如何学好模拟电路？其实，学好模拟电路并不难，重点是掌握模拟电路的基本原理和知识，不能一上来就直接研究相关电路，现在网上和论坛里经常能看到一些所谓的经典电路分析，即使其分析描述让你暂时看明白了，你最后还是不能活灵活用。其实，要掌握模电的精髓，首先要彻底弄懂二极管、三极管、MOS管和运算放大器这四个有源器件，这样才能触类旁通，后面我会针对性的写一些系列文章来帮助大家理解、掌握，并结合具体应用实例来帮助大家消化吸收，使其彻底变成自己信手拈来的东西。

今天，我想先谈一谈稳压二极管（又称齐纳二极管，下文简称稳压管），稳压管在我们实际设计工作中会经常性用到，非常重要。稳压管是属于二极管中的一种，大家知道，二极管最重要的特性是：单向导电性，正向导通，反向截止。而稳压管是通过特殊的掺杂制作工艺，通过施加反向电压，使其工作在反向击穿状态（又称齐纳击穿），以形成稳定电压的作用的目的。

一、搞懂基本原理（请大家耐着性子认真看完这一章内容）

华中科技大学康华光教授《电子技术基础—模拟部分》关于稳压管介绍中有一张伏安特性曲线图很直观，我引用一下来给大家详细讲解：

上图中，横坐标VD是施加到稳压管上的反向电压，纵坐标ID是流经稳压管上的反向电流，这就是稳压管的电压&电流曲线图。由图可知，当对稳压管施加正向电压时（横坐标正方向），稳压管电流很快飙升，那是因为正向电压达到0.7V（硅管PN结的正向导通点电压）以上时，稳压管正向导通，这显然不是我们想要的工作状态；当对稳压管施加反向电压时（横坐标负方向），稳压管在接近-VZ电压附近电流开始飙升，说明此时稳压管开始齐纳击穿。

图中的VZ表示反向击穿电压，即稳压管的稳定电压，它是在特定的测试电流IZT下得到的电压值，绘制出测试点Q坐标（-VZ，-IZT），从图可知稳压管的稳压作用在于：电流增量ΔIz很大，也只引起很小的电压变化ΔVz。曲线愈陡，动态电阻rz=ΔVz/ΔI愈小，稳压管的稳压性能愈好。Vzo是过Q点（测试工作点）的切线与横坐标的交点，切线的斜率为1/rz。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，若反向电流小于Iz(min)时，稳压管将进入反向截止状态，稳压特性消失；若反向电流大于Iz(max)时，稳压管可能被烧毁。根据稳压管的反向击穿特性，得到c中稳压管等效电路模型，因此有Vz=Vzo+rz*Iz，在Q点附近，斜率为1/rz接近无穷大（类似于一条垂直于横坐标的直线），rz接近为0，可以忽略，Vz接近恒定值；但在点Iz(min)和点Iz(max)附近，1/rz不是无穷大，rz不能忽略，稳压值在这两点附近会有波动。

二、对照稳压二极管规格书来分析

下面以仙童半导体（FAIRCHILD）生产的稳压管1N4728A来对照看一下，这款稳压管型号相信很多人都用过，是1W功率的3.3V稳压管，图2为其技术规格书：

大家要记住：电子元器件技术规格书中没有一个字是多余的，一定要仔细阅读，我解释一下图2中稳压管技术参数的具体含义：

（1）PD：稳压管的最大耗散功率，PD=Vz*Iz；特别注意：稳压管提供最大耗散功率的前提是两边的金属管脚在使用时需要各预留10mm长度，以便于散热，如果做不到就要降额使用，比如使用60%-75%的功率，留有一定余量，降低发热，提高器件使用寿命及稳定可靠性。这里附带说一下，稳压管的最大击穿电流Iz(max)理论上=PD/Vz，对于稳压管1N4728A，其最大击穿电流Iz(max)=1W/3.3V≈303mA。

（2）Test Current Iz (mA)：这是稳压管的推荐测试电流，就是第一章中提到的Q点电流-IZT，它是厂家推荐的稳压管工作的最佳工作电流。那么我们设计电路参数时，尽量让稳压管工作在这个电流点附近，这样动态电阻rz基本可以忽略，稳压值最稳定。

（3）Vz(V)@ Iz：这里规格书列出了三个值，最小值Min—标准值Typ—最大值Max，表示在测试电流Iz作用下，稳压管稳压值的波动范围。这是厂家通过成千上万只同批次稳压管实测出来的结果，波动误差主要受到制作工艺的影响，我们可以计算出正偏差=（3.465V-3.3V）/3.3V=5%，这个波动偏差如果你接受不了的话就需要采用高精度的带隙基准电源芯片了，比如稳压芯片TL431精度可以达到1%。

（4）Zz@Iz(Ohm)：这是稳压管在推荐测试电流作用下，负极和正极两端呈现出来的直流电阻，注意这不是动态电阻，这个直流电阻反应出来的是稳压管在当做直流源使用时，“源”内部的阻抗，大家应该知道，电源阻抗越小越好，理想源内部阻抗是0，这样“源”就不会受到负载的变化而波动，后续我会专门讲解一下“源”与负载的关系，这里不做展开。但这个参数表征了稳压管1N4728A被齐纳击穿的最小反向电压=Vz+Zz*Iz=3.3V+10Ω*76mA=4.06V。

（5）Izk(mA)：这是稳压管齐纳击穿的最小电流，请大家记住，也就是第一章中的Iz(min)临界点，此时稳压管作为“源”内阻抗最大，带载能力最差，稳压值波动较大。

（6）Zzk@Izk(Ohm)：这个就是稳压管在最小击穿电流Izk作用下，作为“源”输出时的内部阻抗，从规格书中看出稳压管1N4728A此时的源阻抗达到400Ohm，阻抗很大，此时带载能力最差，因此我们在使用时一定要避开这个电流区间。

（7）Leakage Current IR(uA)和VR(V)：这个是稳压管的反向漏电流指标参数，我们知道稳压管是工作在反向电压状态下的，但如果达不到反向击穿电压，那稳压管将处于截止状态，这个时候理论上说是不会有反向电流的。但实际上由于PN结的掺杂工艺水平，它会有一个反向漏电流 IR，属于uA电流级别，非常非常小，稳压管1N4728A规格书上列出的反向漏电流100uA就是当施加VR=1V的反向电压时测试出来的。反向漏电流越小越好，因为它对电路会有不良影响，在后续文章中我会进一步介绍。

三、典型稳压电路的参数设计

如图4所示的典型稳压二极管电路（并联式稳压电路），V1为输入端直流电源，Dz为稳压管；R为限流电阻，其作用是使电路有一个合适的工作状态，并限定电路的工作电流（Iz(min)＜IZ＜Iz(max)），负载RL与稳压管两端并联。

稳压管是通过调节电流来实现稳压作用的，当负载RL重，即需要较大负载电流Io时，稳压管Dz调节其击穿电流Iz减小（最小不能低于Iz(min)），以增加负载电流Io；当负载RL轻，即需要较小负载电流Io时，稳压管Dz调节其击穿电流Iz增加（最大不能超过Iz(max)），以减小负载电流Io；因为当限流电阻R值固定后，总电流IR=Iz+Io是恒定不变的。

实际应用：假设输入端电源电压VI在12V～13.6V之间波动，负载RL的额定工作电源电压Vo为9V，最高功率消耗PL为0.5W，请选择合适的稳压管型号及限流电阻值？

我们据此设计电路参数如下：

（a）计算最大负载电流：Io(max)=PL/Vo=0.5W/9V≈56mA；

（b）选取限流电阻R时，必须保证稳压管工作在反向击穿状态，R太大可能使Iz太小，无法使稳压管反向击穿；R太小可能使Iz太大，烧毁稳压管。所以在保证稳压管击穿的情况下尽量选择较大的R值。根据电路，限流电阻R的关系式为：R=(VI-Vz)/(Iz+Io)；

（c）考虑最坏情况，即当输入电压最小VI(min)=12V，负载电流最大Io(max)=56mA，R此时会取最大值R(max)，且必须保证稳压管中的电流大于Iz(min)。即：[VI(min)-Vz]/R(max)-Io(max)＞Iz(min)，一般稳压管的Iz(min)为1mA左右（即图2中的Izk），因此R的最大值为：R(max)＜[VI(min)-Vz]/[Io(max)+Iz(min)]=(12V-9V)/(56mA+1mA)=52.6Ohm，可取电阻标称值47Ohm。

（d）考虑另一种最坏情况，即当输入电压最大VI(max)=13.6V，负载电流最小Io(min)=0，即负载开路，原本流过负载的电流将全部流经稳压管，此时Iz的最大值为：Iz(max)=[VI(max)-Vz]/R-Io(min)=(13.6V-9V)/47-0=98mA，这时稳压管的耗散功率最大，限流电阻上发热功耗也是最大。

（e）稳压二极管最大耗散功率Pz(max)=Vz*Iz(max)=9V*98mA=882mW=0.882W。

（f）当输入电源电压最大且满负荷工作情况下，限流电阻R上消耗功率最大，最大发热功耗PR(max)=[VI(max)-Vz]*[VI(max)-Vz]/R=(13.6V-9V)*(13.6V-9V)/47Ohm≈0.45W。

综上：1）稳压管要求9V稳压值，最大击穿电流达到98mA，最大耗散功率达到0.882W，据此可选择仙童半导体1W的稳压管1N4739A；2）电阻阻值为47Ohm，最大发热功率为0.45W，据此限流电阻可选择规格为47Ohm/1W直插金属膜电阻，或者选择2512封装的47Ohm贴片电阻。（本篇文章完）

鉴于文章篇幅，下一篇我将列举几种经典的稳压二极管电路应用案例，并结合原理进行深度分析，以帮助大家彻底掌握。

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