什么是二極管的電容效應？

　　二極管具有電容效應。它的電容包括勢壘電容CB和擴散電容CD。

　　1．勢壘電容CB（Cr）

　　PN結(jié)內(nèi)缺少導電的載流子，其電導率很低，相當于介質(zhì)；而PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)、N區(qū)的電導率高，相當于金屬導體。從這一結(jié)構(gòu)來看，PN結(jié)等效于一個電容器。

　　事實上，當PN結(jié)兩端加正向電壓時，PN結(jié)變窄，結(jié)中空間電荷量減少，相當于電容“放電”，當PN結(jié)兩端加反向電壓時，PN結(jié)變寬，結(jié)中空間電荷量增多，相當于電容“充電”。這種現(xiàn)象可以用一個電容來模擬，稱為勢壘電容。勢壘電容與普通電容不同之處，在于它的電容量并非常數(shù)，而是與外加電壓有關。當外加反向電壓增大時，勢壘電容減小；反向電壓減小時，勢壘電容增大。目前廣泛應用的變?nèi)荻O管，就是利用PN結(jié)電容隨外加電壓變化的特性制成的。

　　2．擴散電容CD

　　PN結(jié)正向偏置時，N區(qū)的電子向P區(qū)擴散，在P區(qū)形成一定的非平衡載流子的濃度分布，即靠近PN結(jié)一側(cè)濃度高，遠離PN結(jié)的一側(cè)濃度低。顯然，在P區(qū)積累了電子，即存貯了一定數(shù)量的負電荷；同樣，在N區(qū)也積累了空穴，即存貯了一定數(shù)即正電荷。當正向電壓加大時，擴散增強，這時由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子數(shù)和由P區(qū)擴散到N區(qū)的空穴數(shù)將增多，致使在兩個區(qū)域內(nèi)形成了電荷堆積，相當于電容器的充電。相反，當正向電壓減小時，擴散減弱，即由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子數(shù)和由P區(qū)擴散到N區(qū)的空穴數(shù)減少，造成兩個區(qū)域內(nèi)電荷的減少，、這相當于電容器放電。因此，可以用一個電容來模擬，稱為擴散電容。

　　總之，二極管呈現(xiàn)出兩種電容，它的總電容Cj相當于兩者的并聯(lián)，即Cj＝CB + CD。二極管正向偏置時，擴散電容遠大于勢壘電容 Cj≈CD ；而反向偏置時，擴散電容可以忽略，勢壘電容起主要作用，Cj≈CB 。

　　電容緩沖電路該如何設計？

　　功率開關是所有功率轉(zhuǎn)換器的核心組件。功率開關的工作性能直接決定了產(chǎn)品的可靠性和效率。若要提升功率轉(zhuǎn)換器開關電路的性能，可在功率開關上部署緩沖器，抑制電壓尖峰，并減幅開關斷開時電路電感產(chǎn)生的振鈴。正確設計緩沖器可提升可靠性和效率，并降低EMI。在各種不同類型的緩沖器中，電阻電容（RC）緩沖器是最受歡迎的緩沖器電路。本文介紹功率開關為何需要使用緩沖器。此外還提供一些實用小技巧，助您實現(xiàn)最優(yōu)緩沖器設計。

　　圖1： 四種基本的功率開關電路

　　有多種不同的拓撲用于功率轉(zhuǎn)換器、電機驅(qū)動器和電燈鎮(zhèn)流器中。圖1顯示四種基本的功率開關電路。在所有四種基本電路中——事實上在大部分功率開關電路中——藍線以內(nèi)表示的是同樣的開關二極管電感網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡在所有這些電路中均具有相同的特性。因此，可利用圖2中的簡化電路進行開關瞬變時針對功率開關的開關性能分析。由于開關瞬變期間，電感電流幾乎不變，因此采用電流源代替電感，如圖所示。該電路的理想電壓和電流開關波形同樣如圖2所示。

　　圖2 簡化的功率開關電路及其理想開關波形

　　MOSFET開關關斷時，它兩端的電壓將上升。然而，電流IL將繼續(xù)流過MOSFET，直到開關電壓到達Vol。二極管導通后，電流IL開始下降。MOSFET開關導通時，情況相反，如圖所示。這類開關稱為“硬開關”。開關瞬變期間，必須同時支持最大電壓和最大電流。因此，這種“硬開關”會使MOSFET開關承受高電壓應力。

　　圖3 MOSFET開關關斷瞬變時的電壓過沖

　　在實際電路中，開關應力要高得多，因為存在寄生電感（Lp）和寄生電容（Cp），如圖4所示。由于PCB布局與走線，Cp包含開關輸出電容和雜散電容。Lp包含PCB路由寄生電感和MOSFET引線電感。這些來自功率器件的寄生電感和電容組成濾波器，并在關斷瞬變發(fā)生后立即產(chǎn)生諧振，從而將過量電壓振鈴疊加到器件上，如圖3所示。若要抑制峰值電壓，可在開關上部署一個典型RC緩沖器，如圖4所示。電阻值必須接近需減幅的寄生諧振阻抗值。緩沖器電容必須大于諧振電路電容，同時又必須足夠小，以便將電阻功耗保持在最低水平。

　　圖4： 電阻電容緩沖器配置

　　如果功耗并非關鍵因素，那么有一種方法可以快速設計RC緩沖器。由經(jīng)驗可知，選擇緩沖器電容Csnub，使其等于開關輸出電容值與安裝電容估算值之和的兩倍。選擇緩沖器電阻Rsnub ， 所以：

　　Rsnub上的功耗可估算如下（給定開關頻率fs）：

　　當這一簡單的經(jīng)驗設計不再限制峰值電壓時，便可執(zhí)行優(yōu)化步驟。

　　優(yōu)化RC緩沖器： 在那些功率損耗很重要的應用中，應當采用優(yōu)化設計。

　　首先，測量MOSFET開關節(jié)點（SW）在關斷時的振鈴頻率（Fring）。在MOSFET上焊接一個100 pF低ESR薄膜電容。增加電容，直到振鈴頻率為初始測量值的一半。現(xiàn)在，由于振鈴頻率與電路電感和電容乘積的平方根成反比，開關總輸出電容（增加的電容與初始寄生電容之和）增加四倍。因此，寄生電容Cp為外部所增加電容值的1/3。現(xiàn)在，式通過下可獲得寄生電感Lp：

　　一旦求出寄生電感Lp和寄生電容Cp，緩沖器電阻Rsnub和電容Csnub便可根據(jù)下列計算進行選擇。

　　如果發(fā)現(xiàn)緩沖器電阻值過低，可對其進一步微調(diào)以降低振鈴。

　　Rsnub上的功耗（給定開關頻率fs）等于。