如何设计钳位电路？学习齐纳二极管和肖特基二极管的应用技巧

在电路中，钳位是指将电压控制在固定电压范围内。二极管的特点是单向传导。当它正向导通时，它有一个固定的压降。齐纳二极管的特点是反向击穿。正向导通的二极管和反向击穿的齐纳二极管都可以用于钳位电路的设计，用于钳位电路的二极管称为钳位二极管，不同的钳位应用使用不同的二极管。

齐纳二极管充当钳位二极管

在过压保护电路中，我们可以设计一个带有齐纳二极管的钳位电路。

上图所示的12V过压保护电路中，采用12V齐纳二极管进行钳位。当输入电压小于或等于12V时，PNP晶体管Q2截止，PMOS(Q3)管导通，VCC获得正常供电。当输入电压升至12.5V以上时，由于12V稳压二极管的钳位，PNP三极管的基极将电压控制在12V，Q2开始导通，导致PMOS（Q3）关断， VCC 电源停止。

肖特基二极管充当钳位二极管

添加钳位二极管可以保护单片机的输入输出端口，如上图，添加两个肖特基二极管作为钳位二极管，可以有效防止GPIO被静电击穿。当电压大于VDD时，D1导通，静电通过D1释放到VDD；当电压小于GND时，D2导通，静电通过D2释放到GND。由于需要快速释放静电，所以一般选择肖特基二极管或快速开关二极管作为钳位二极管。

钳位二极管保护原理分析

钳位二极管实际上是TVS管，是瞬态抑制二极管的简称。它是在齐纳二极管的基础上发展起来的，是一种二极管形式的新型高性能保护器件，即限压过压保护器件。

TVS通常采用二极管型轴向引线封装结构，也有贴片式，TVS的核心单元是芯片，芯片有单极型和双极型两种结构，单极TVS有一个PN结，双极TVS有两个PN结。单极型仅针对一个方向的浪涌电压冲击提供保护。

瞬态二极管可以防止相反极性的浪涌电压冲击，相当于两个反向串联的稳压器。该管的突出特点是击穿电压低、响应时间可达数十ps、漏电流小、瞬态功率大、无​​噪声等，因此在信号系统中得到了广泛的应用和认可。

在浪涌电压的作用下，当TVS管两极间电压从额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR时，​​TVS管两极间电压被击穿，击穿电流发生时，流过TVS管的电流将达到峰值脉冲电流IPP，两端电压也被钳位在预定的最大钳位电压VC以下。随后，随着脉冲电流呈指数衰减，TVS管两极电压不断降低，最后回到初始状态，这就是TVS管抑制浪涌电流脉冲功率、保护电子器件的原理。

二极管钳位电路

二极管钳位电路是根据二极管正向导通时压降相对稳定且数值较小的特性，设计来限制电路中某一点的电位，使周期性变化的波形的顶部或底部保持在一定值。一定的直流电平。

正二极管钳位电路

在该二极管限幅电路中，在正弦输入波形的正半周期期间，二极管正向偏置。对于要正向偏置的二极管，其输入电压幅度必须大于 +0.7 伏（锗二极管为 0.3 伏）。

当这种情况发生时，二极管开始导通，并将电压本身保持恒定在 0.7V，直到正弦波形降至该值以下。因此，在正半周期期间，二极管上获得的输出电压不超过0.7伏。

在负半周期期间，二极管反向偏置以防止电流流过其自身，因此对正常电压的负半部分没有影响，该电压不变地传递到负载。因此，二极管限制了输入波形的正半部分，称为正二极管钳位电路。

负二极管钳位电路

这也是反之亦然。二极管在正弦波形的负半周期期间处于正向偏置，并将其限制为 -0.7 伏，同时允许正半周期在反向偏置时保持不变。由于二极管限制输入电压的负半周，所以称为负二极管钳位电路。

两个半周期

如果我们如图所示将两个二极管反并联，那么正负半周就会被截断。二极管D 1 截断正弦输入波形的正半周期，二极管D2 截断负半周期。然后可以使用二极管钳位电路来限制正半周期、负半周期或两者。

对于理想二极管，上面的输出波形将为零。然而，由于二极管上的正向偏置电压降，实际削波点分别出现在+0.7 伏和-0.7 伏处。但是，我们可以通过串联更多二极管直到正弦波形的最大值 (V PEAK) 产生 0.7 伏的倍数，或者通过向二极管添加电压偏置，将 ± 0.7V 的阈值增加到我们想要的任何值。

偏置二极管钳位电路

针对不同电平的电压波形产生二极管钳位电路。将偏置电压 VBIAS 和二极管串联起来，形成如图所示的组合限幅器。在二极管完全正向偏置之前，串联组合两侧的电压必须大于 0.7V 的 VBIAS +。例如，如果 VBIAS 电平设置为 4.0 伏，则二极管阳极的正弦电压必须大于 4.0 + 0.7 = 4.7 伏，因为它会产生偏置。任何高于该偏置点的阳极电压电平都会被截断。

正偏压二极管钳位

同样，通过反转二极管和电池偏置电压，当二极管导通时，输出波形的负半周保持在-V BIAS -0.7V，如图所示。

负偏压二极管钳位

可变二极管限幅或二极管可以通过改变二极管的偏置电压来达到限制水平。如果要钳位正半周和负半周，请使用两个偏置限制二极管。然而，对于正二极管钳位和负二极管钳位，偏置电压不必相同。正偏压可以是一个电平，例如4伏，负偏压可以是另一电平，例如6伏，如图所示。

不同偏置电平的二极管钳位

当正半周电压达到+4.7V时，二极管D 1 导通，并将波形限制为+4.7V。二极管D2直到电压达到-6.7V才导通。因此，所有高于+4.7V的正电压和低于 -6.7 V 的负电压会自动降低。

偏置二极管钳位电路的优点在于，它可以防止输出信号在输入波形的两个半周期内超过预设电压限制，输入波形可能是正负电源轨，输入来自噪声传感器或电源。

如果二极管限制电平设置得太低或输入波形太大，消除两个波形峰值可能会结束方波d。

齐纳二极管钳位电路

使用偏置电压意味着可以精确控制电压波形的截断量。但使用偏压二极管钳位电路的主要缺点之一是它们需要额外的 EMF 电池源，这可能是问题，也可能不是问题。

创建偏置二极管钳位电路而不需要额外电动势的一种简单方法是使用齐纳二极管。

众所周知，齐纳二极管是另一种特殊的二极管，它工作在反向偏置击穿区域，因此可用于电压调节或齐纳二极管限制应用。在正向区域，齐纳二极管的作用与普通硅二极管一样，正向压降为0.7V（700mV），与上述相同。

然而，在反向偏压区域，电压被阻断，直到达到齐纳二极管击穿电压。此时，通过齐纳二极管的反向电流急剧增加，但即使齐纳电流 IZ 发生变化，器件上的齐纳电压 VZ 仍保持不变。

然后我们可以利用它们来切割波形，使这个齐纳动作很好地发挥作用，如图所示。

齐纳二极管钳位

齐纳二极管的作用类似于偏置二极管钳位电路，其偏置电压等于齐纳击穿电压。在该电路中，在波形的正半周期期间，齐纳二极管反向偏置，因此波形被钳位在齐纳电压 V ZD 1 上。在负半周期期间，齐纳管的工作方式与正常情况一样。二极管，通常结值为 0.7V。

我们可以利用齐纳二极管的反向电压特性进一步发展这一想法，以便将波形的两半用于有限串联的背靠背齐纳二极管，如图所示。

全波齐纳二极管钳位

全波齐纳二极管钳位电路的输出波形与之前的偏压二极管钳位电路类似。齐纳二极管制造有多种电压，可用于在每个半周期提供不同的参考电压，与上述相同。齐纳二极管的齐纳击穿电压范围为 2.4 至 33 伏，典型容差为 1% 或 5%。注意，一旦在反向击穿区导通，则全部电流将流过稳压二极管，因此必须选择合适的限流电阻R1。