3.3 二极管

二极管是由一层N型半导体和一层P型半导体构成的只具有一个PN结的晶体管。二极管具有单向导电（正偏）的特性。在ATX电源中主要用于供电的整流、信号的传递、信号的钳位和元件的保护。

二极管的种类繁多，ATX电源上最常见的有以下3种：普通二极管（整流、单向传递信号用）；稳压二极管（实际为齐纳二极管）；快恢复二极管（FR）和高效率二极管（HER），常用于尖峰吸收和小电流整流。

3.3.1 齐纳二极管与稳压二极管的关系

稳压二极管的命名并不科学。对客观事物的命名，应以“唯一”“科学”为原则。“二极管”的命名就是一个“唯一”“科学”的命名。其唯一性在于我们可以通过“二极管”的命名，将这种元件与其他元件区分开来。其科学性在于，我们可以通过“二极管”的命名，了解这种元件的物理结构。

学过化学的人都知道一句话：“结构决定性质”。这体现了内在结构的命名，更符合“科学”原则。

反观“稳压”这个命名。首先从字面去理解，“稳压”实际上是稳定电压之意，具体到电路中，应该是保持电路中的某个点的电压相对恒定之意。在“稳压二极管”这个命名中，似乎应该被理解为这种二极管的功能是保持电路中的某个点的电压相对恒定。我们暂且认为这就是“稳压二极管”的典型功能。

从“唯一”的原则出发分析，能够保持电路中的某个点的电压相对恒定的元件或电路数不胜数，431精密稳压器就是一个很好的例子。可见，“稳压”并不是“稳压二极管”独有的功能。从“科学”的原则分析，“稳压”也不能反映出“稳压二极管”的物理结构。综上所述，“稳压”的命名，是不恰当的、片面的。

实际上，“稳压”只不过表述了元件或电路的具体功能（保持电路中的某个点的电压相对恒定）。这种从功能的角度对基本元件命名的方式非常不科学。“稳压二极管”这个名称，不仅不能帮助我们更好地理解这种二极管（齐纳二极管）的特性，反而造成了极大的阻碍。

当然，我们不能否认“稳压二极管”可能的确具有“稳压”的功能。我们甚至可以推测，齐纳二极管之所以被俗称为“稳压二极管”，很可能就是因为其能够实现“稳压”功能的电路常常以齐纳二极管这个基本元件为核心。

因此，笔者提出：只有当齐纳二极管实现稳压的核心功能时，我们才应将其称为稳压二极管。同样，在某个电路中，如果是由普通二极管而非齐纳二极管实现稳压的核心功能（实践中确实存在），我们也应该将其称为稳压二极管，这是没有问题的。

齐纳二极管与普通二极管的最大区别是它可以稳定地工作在二极管特性曲线的反向击穿区（齐纳二极管也可工作在二极管特性曲线的正向导通区），普通二极管则是工作在特性曲线的正向导通区（普通二极管不能工作在二极管特性曲线的反向击穿区）。因此，齐纳二极管实际上是具有一个PN结的，既可从二极管的正极到负极导通，又可从二极管的负极到正极导通的一个“双向导通”的单二极管。

如果是从正极到负极导通，则此时的齐纳二极管实际上表现为一个普通的二极管。如果是从齐纳二极管负极到正极导通，则此时的齐纳二极管才是一个名副其实的齐纳二极管，此时的齐纳二极管的PN结实际上是处于击穿状态的。

如果是普通的二极管，在反向击穿后将发生不可逆转的物理损坏。但是齐纳二极管在反向击穿后并不会发生这种不可逆转的物理损坏，它反而能够在这种击穿状态中持续稳定地工作。齐纳二极管要进入反向击穿状态，就需要在其PN结上加一个反向击穿电压（正接二极管的负极，负接二极管的正极）。经反向击穿电压逐渐增大，当其达到某个门槛值之后，齐纳二极管才会被击穿。这个门槛值就是齐纳二极管的稳压值（更科学的命名应为反向击穿电压）。

更为实际的问题是，齐纳二极管的稳压值具有什么现实意义？人们如何利用其反向击穿电压具有门槛值的这种特性，在电路中实现某种特定的功能（如稳压）？

事实上，将二极管理解为单向开关并不困难。换句话说，二极管在电路中就像是一个单向的阀门/开关，它允许电流从其正极流向负极，同时禁止电流从负极流向正极。齐纳二极管也是二极管，它当然也具有这样的单向阀门/开关功能。但是与此同时，它还同时允许电流从其负极流向正极，这意味着齐纳二极管还具有双向（反向）阀门/开关的功能。

只不过齐纳二极管的反向阀门/开关是有附加条件的——负极到正极的压降必须大于其稳压值。综上所述：齐纳二极管首先是个开关；齐纳二极管用作反向开关时具有附加条件。这就意味着齐纳二极管实际上成为一个“条件开关”。当“条件”满足时，此开关打开，并触发后续的电路行为；而当“条件”不满足时，此开关关闭，不会触发后续电路的行为。

齐纳二极管的这种性质实在是太可贵了。

我们通过下面的例子，来初步理解齐纳二极管作为“条件”开关的基本电路行为，如图3-7所示。这是一个笔记本电脑主板供电电路的一部分（由富士康代工的SONY MS01适配器输出电压检测电路），图纸中明确注明其功能为“Avoid 16V adaptor work”（避免使用16V适配器工作）。我们在此借助这个实际应用来说明齐纳二极管的电路行为。

如果这个电路真的能够实现其图纸中所标注的“Avoid 16V adaptor work”的功能，那么最起码说明该电路中一定具备一种可以“感知电压”的元件。因为如果此电路不具备感知适配器的输出电压的能力，则是无法做出后续动作的。那么，我们分析一下，究竟是电路中的哪个元件具有“感知电压”的功能呢？

看来看去只有PD38，因为电阻PR213和两个三极管PQ67、PQ68怎么看也不像是压敏元件。而作为齐纳二极管的PD38则不同，它作为电压型的条件开关，是唯一可以明确地根据电压的高低做出导通或截止动作的元件。

当适配器的输出电压低于16V时，PD38因为16V低于其反向击穿电压（稳压值），所以是不会打开的。这等价于PD38不存在，PQ67得不到基极导通电压，也可认为不存在。低于16V的DC_IN通过PR213加至PQ68的基极，令其导通，AC_OFF_3＃被拉低到地。AC_OFF_3＃在有效时表示“交流_关闭”。这正与图纸标注相符合。

当适配器的输出电压高于16V时，PD38会在这个高于16V的反向电压作用下被击穿（超过其稳压值），PD38将导通，PQ67可得到基极导通电压而导通。PQ67的导通，会将PQ68的基极电压拉低，PQ68截止。AC_OFF_3＃的电压与PQ68无关（实际会被后续电路中与之直通的一个上拉电阻拉为高电平）。

综上所述，PD38的根本作用类似一个压敏的条件开关。

我们还可以从门的角度去理解上面的电路。DC_IN是这个门的输入，AC_OFF_3＃是这个门的输出。当DC_IN为高时（大于16V），AC_OFF_3＃为高；当DC_IN为低时（小于16V），AC_OFF_3＃为低。这是一个跟随门。

同理，我们也可以这样去理解齐纳二极管——具有明确门槛值的跟随门。

此时，齐纳二极管的负极为门的输入，齐纳二极管的正极为门的输出，齐纳二极管的稳压值即为判断门的输入是高还是低的门槛值。当负极电压小于稳压值时，此门的输入为低电平，此门的输出也为低电平。当负极电压等于稳压值时，门处于临近点，随着负极电压的增大，门的状态将由低进低出翻转为高进高出。

请读者根据图3-8所示组装元件电路图（R1和R2最好使用电位器），根据齐纳二极管（ZD）的稳压值，选取恰当的正极电压，不断调整分压令ZD导通、截止，同时测量ZD分得的电压来理解齐纳二极管作为条件开关的本质。

笔者采用一个稳压值为2.2V的齐纳二极管，如图3-9所示。调节电位器的分压，直到ZD被击穿，LED亮。经实测，其稳压值为2.0V（有测量误差）。

3.3.2 齐纳二极管的测量

数字万用表因为本身的设计原因，不太适用于测量齐纳二极管。这是因为如果使用数字万用表去测量齐纳二极管，只能使用其二极管挡，而数字万用表的二极管挡的开路电压是固定的（以UT61E为例，其二极管挡开路电压为2.8V）。

当使用UT61E测量齐纳二极管时。如果此二极管的稳压值小于2.8V，那么无论是红正黑负（这是测量PN结的正常笔序），还是红负黑正（这是反向击穿的笔序），万用表都会有示数。

读者可取一个稳压值为2.2V的齐纳二极管实测。笔者的实测结果如下：红正黑负，压降为0.7V（正常的硅二极管的正向压降）；红负黑正，压降为1.6V（齐纳二极管反向击穿导通后的压降）。

但是如果当齐纳二极管的稳压值大于数字万用表二极管挡红表笔的开路电压时，就只能测到二极管的正向压降，其反向压降会因红表笔电压低于稳压值而测不到数据（无穷大）。此时的数字万用表将不具备击穿其PN结以获得可测压降的能力。

相比较而言，指针万用表更适用于齐纳二极管的测量（应使用其电阻挡）。

这是因为指针万用表的电阻挡在不同倍数时（R×1k挡、R×10k挡等），其红表笔的开路电压是不同的。当为R×1k挡时，电压大约为1.5V；当为R×10k挡时，电压大约为万用表内置电池的电压（如9V）。因此，这样的指针万用表可以测量稳压值小于9V的齐纳二极管。

但是，如果某齐纳二极管的稳压值超过了指针万用表电阻挡的最大电压，则指针万用表也将不具备击穿其PN结以获得可测真实电阻的能力。

3.3.3 二极管的钳位

二极管的钳位功能又叫限幅，也就是限制信号的幅值。总之，就是对信号的一种限制。问题是，对于信号而言，有什么需要限制的呢？当然是信号的电压了。也就是说，可以通过二极管来限制某个信号的电压：如果我们不希望该信号的电压大于某个最大值，可以使用二极管钳位来实现；如果我们不希望该信号的电压小于某个最小值，也可以使用二极管钳位来实现。

我们考虑同时需要限制信号最大值和最小值的情况，如图3-10所示。

我们首先将信号接入“被钳位点”，然后将“高电位”接入与信号的最大电压数值相等的一个供电，最后将“低电位”接入与信号的最小电压数值相等的一个供电（也可以是地）。之后分析当信号的电压发生变化时，这两个二极管的导通与截止情况，及其对被钳位点当前电平的影响。

我们假设在某个时刻，“被钳位点”的电平高于“高电位”，并且高到了可令右侧这个二极管正偏导通的程度，此时，二极管就会因其正极电压大于负极电压而导通，“被钳位点”的电压因为钳位二极管的泄流作用而失去了继续上升的动力（至少是减弱了）。这不正是把信号的最大电压限制住了吗？

我们假设在某个时刻，“被钳位点”的电平低于“低电位”，并且低到了可令左侧这个二极管正偏导通的程度，此时，二极管就会因其正极电压大于负极电压而导通，“被钳位点”的电压因为钳位二极管的补流作用而具备了继续上升的动力（至少是增强了）。这不正是把信号的最小电压给限制住了吗？

总之，二极管的限幅作用是名副其实的，该电路结构的确可以令“被钳位点”的电平始终处于大于“低电位”而小于“高电位”的幅值之内。

广义地看，发射极接地的NPN三极管在其导通后，集电极电位被拉低到地的电路行为，源极接地的N沟道场管在其导通后，其漏极电位被拉低到地的电路行为，都可作为钳位来理解。

3.3.4 全桥

电源中的全桥只有两种：一种是以集成块形式出现的四脚全桥；另一种是以4个二极管形式出现的全桥。

对于四脚全桥，中间的两脚为交流输入，有缺角的另一脚为正极，剩余一脚为负极。

对于以4个二极管形式出现的全桥。可使用万用表的二极管挡，一表笔接火线或零线，另一表笔分别试探4个二极管的8个引脚，先找出其交流输入脚（4个），再根据二极管的方向，观测出全桥正极（2脚），剩余2脚即为全桥负极。

在维修任何电源时，最先进行的检测是对交流市电220V插座的火线与零线间直通性的测量。其本质意图就是判断全桥是否损坏。但是，该检测只能判断全桥中的二极管是否有反向击穿，不能判断全桥中的二极管是否正向开路。因此，对于全桥的测量，还是应该按照孤立二极管的测量方法，每个测量两次（正偏导通、反偏截止），共测量8次来判断其好坏。

3.3.5 整流二极管的型号识别

在实践中，我们常常需要明确具体整流二极管（包括全桥）的具体参数，这可以通过观察二极管的表面型号来获知。

通过查看任意整流二极管的数据表不难发现，二极管实际上具有很多电学参数，但其中最重要的只有两个：最大正向平均整流电流（Maximum Average Forward Rectified），本书简称“最大整流电流”；最大可重复峰值反向电压（Maximum Recurrent Peak Reverse Voltage），本书简称“最大反向电压”。还有一个重要的参数是“最大反向恢复时间”（MAX.Reverse Recovery Time），前文中已经介绍。

读者可以想象，如果让你为整流二极管命名，该如何做呢？请读者参考3.3.1节中关于命名原则的内容。

对于具体整流二极管而言，如果其型号能够包含它的两个最重要的参数信息，显然是合情合理的。这也的确是很多二极管厂家的实际做法。在实践中，包含“最大整流电流”和“最大反向电压”的命名有两种形式。

一种是将“最大整流电流”和“最大反向电压”的数值组合成型号中的数字部分，再在数字前后加上字母。例如，由意法半导体生产的“STPS2045CT/CF/CG”。其型号中的2045就是“最大整流电流”和“最大反向电压”的数值组合。20代表其“最大整流电流”为20A，45代表其“最大反向电压”为45V。其前缀STPS为系列名，后缀CT/CF/CG为分型。笔者将这种命名方式称为“直标法”。

另一种是将“最大整流电流”的数值和“最大反向电压”的等级代码的数值组合成型号中的数值部分，再在数字前后加上字母。例如，常见的快恢复二极管FRIIV（FR代表快恢复二极管，II代表“最大整流电流”的两位数值，V代表“最大反向电压”的等级代码的数值）。

“最大反向电压”的等级代码的数值与电压的对应关系，如表3-2所示。

对于FR107来说，10的数值代表其“最大整流电流”为1.0A，7代表其“最大反向电压”的等级代码的数值，对应为1000V。对于FR203来说，20的数值代表其“最大整流电流”为2.0A，3代表其“最大反向电压”的等级代码的数值，对应为200V，以此类推。

最后，再介绍一种系统命名法。

在开关电源中，常常可以见到“1N+四位数字”的命名方法（如“1N4148”“1N5408”）。这实际上是一种系统命名法。型号中的四位数字与“最大整流电流”和“最大反向电压”的数值没有特别明显的对应关系。对于这种命名，应通过查阅其数据表来明确其参数信息。