Диод шоттки с минимальным падением напряжения

Диоды на основе перехода «металл-полупроводник», описанные теоретически Вальтером Шоттки в 1930-е годы, сегодня применяют там, где необходимы их эффективные электрические параметры, такие как малое падение напряжения на переходе (V_F) и быстрое переключение (t_RR).

Но за эти преимущества приходится платить. Основной недостаток диодов Шоттки связан с относительно высоким током утечки. Ток утечки, обозначаемый в иностранных источниках как ‘I_R’ (ток в обратном направлении), обычно измеряется в микроамперах (10 -6 А) для небольших диодов Шоттки и может достигать нескольких миллиампер (10 -3 А) для более мощных диодов. По сравнению с диодами Шоттки у обладающих малой утечкой диодов с p-n переходом («полупроводник – полупроводник») этот параметр находится в диапазоне наноампер (10 -9 А), а более мощные диоды имеют ток утечки в несколько микроампер.

В устройствах с батарейным питанием, таких как смартфоны, планшеты и смарт-часы, этот недостаток диодов Шоттки сокращает срок работы от аккумуляторной батареи. Для решения проблемы использовались транзисторы на основе эффекта Шоттки – с таким же низким прямым напряжением на переходе, но с меньшим током утечки. В отдельных случаях такой подход был успешным, но приходилось жертвовать другим важным параметром диодов Шоттки – быстрым временем переключения. Возникали дополнительные сложности и в процессе изготовления приборов, так как нужно было использовать более сложные технологии КМОП.

Можно ли сказать, что настало время попрощаться с диодом Шоттки?

Скорее всего, нет! ON Semiconductor продолжает финансировать исследования диодов Шоттки и уже имеет пригодные для массового производства полупроводниковые приборы малой мощности с использованием технологии Trench, которые найдут применение в ограниченных по энергоресурсам устройствах. С учётом того, что диоды типа Schottky Trench уже широко используются в энергоемких устройствах промышленного назначения, ON Semiconductor расширяет возможности этой технологии и для области малых энергий, выпуская усовершенствованные диоды Шоттки для светодиодного освещения, систем батарейного электропитания и беспроводной зарядки.

Новое семейство диодов небольшой мощности с использованием технологии Trench обладает небольшими V_F и t_RR (как у диодов Шоттки) и обеспечивает низкий ток утечки, который сопоставим с током утечки обычных диодов, близких по быстродействию к диодам Шоттки. Отличительный признак диодов малой мощности Schottky Trench – сочетание низких V_F и I_R, необходимое для оптимизации рассеиваемой мощности в энергочувствительных приборах. Эта технология позволяет инженерам использовать ее преимущества в ограниченных по энергоресурсам приложениях; например,в беспроводных зарядных устройствах.

Рис. 1. Мост на диодах Шоттки в беспроводном зарядном устройстве

Так как энергия, переданная беспроводным способом в приемный блок питания (RPU), относительно невелика, все дальнейшие потери в цепях преобразования энергии должны быть сведены к минимуму для того, чтобы максимально ускорить процесс зарядки. Важным элементом в этой цепочке является мостовой выпрямитель, который преобразует сигнал переменного тока в электрический сигнал постоянного тока (DC). Затем он обрабатывается с помощью преобразователя постоянного тока (DC/DC), чтобы привести напряжение к уровню, необходимому для зарядки аккумулятора беспроводного устройства. Таким образом, мостовой выпрямитель должен иметь минимальное влияние на потерю мощности: потери прямого напряжения и тока должны быть сведены к минимуму, так как они снижают ценную мощность, передаваемую блоком Power Transmitting Unit (PTU).

Рис. 2. Влияние V_F и I_R на общую эффективность полного моста

В качестве примера рассмотрим положительную полуволну на катушке приемной антенны. Падение напряжения на диоде D1 уменьшит амплитуду напряжения волны (Vwave); в результате, мы имеем эффективное напряжение (V_res= V_wave-V_F), которое затем подается на преобразователь постоянного тока DC/DC. Однако, принятая полуволна тока (I_wave) будет урезанной, в основном, из-за тока утечки диода D4 (I_R4) и частично за счет тока утечки диода D2.

Следовательно, полезный результирующий ток приемной цепи I_res=I_wave – (I_R2+I_R4). Выполненные с использованием технологии Trench, новые диоды Шоттки оптимизированы для этого случая таким образом, что прямое падение напряжения (V_F) и потери за счет обратного тока (I_R) обеспечивают минимальные потери по мощности.

Почему это имеет существенное значение?

Представим себе диод Шоттки с отличным V_F = 0,2 В, но с I_R = 3 мА. В выпрямительном мосте оптимальное прямое падение напряжения мало что изменит, если выпрямленный импульс будет буквально съеден токами утечки в обратном направлении (I_R) у других диодов. И, наоборот, при очень небольшом токе утечки в 1 нА (как у диодов с p-n переходом) прямое падение напряжения может достигать 0,8 В. Слишком большие потери напряжения во входных цепях затрудняют его дальнейшее повышение с помощью преобразователя DC/DC. Поэтому необходимо соблюдать баланс между I_R и V_F так, чтобы минимизировать потери мощности и приблизить напряжение сигнала как можно ближе к значению на приемной катушке. Компания ON Semiconductor направила инвестиции в НИОКР с целью оптимизации потерь электроэнергии в новом семействе диодов Шоттки малой мощности, выполненных с использованием технологии Trench.

Описанные преимущества не связаны с более сложным процессом обработки, который, в свою очередь, может снизить надежность приборов. Вместо этого команда исследователей ON Semiconductor сосредоточилась на упрощении производственного процесса при сохранении высоких требований к качеству и надежности, что позволит использовать продукцию, например, в автоиндустрии. Первая серия новых диодов Schottky Trench малой мощности уже выпускается (NSR05T).

В разработке находится следующее усовершенствованное поколение диодов Schottky Trench с крайне низкой потерей мощности за счет оптимизации значений V_F и I_R.

Виды диодов

Диод Шоттки относится к семейству диодов. Выглядит он почти также, как и его собраться, но есть небольшие отличия.

Простой диод выглядит на схемах вот так:

обозначение диода на схеме

Стабилитрон уже обозначается, как диод с “кепочкой”

обозначение стабилитрона на схеме

Диод Шоттки имеет две “кепочки”

обозначение диода шоттки на схеме

Чтобы проще запомнить, можно добавить голову и ножки и представить себе человечка, танцующего ламбаду)

Обратное напряжение диода

Итак, как вы помните, диод пропускает электрический ток только в одном направлении, а в другом направлении блокирует прохождение электрического тока до какого-то критического значения, называемым обратным напряжением диода.

Это значение можно найти в даташите

обратное напряжение диода

Для каждой марки диода оно разное

Если превысить это значение, то произойдет пробой, и диод выйдет из строя.

Падение напряжения на диоде Шоттки

Если же подать прямой ток на диод, то на диоде будет “оседать” напряжение. Это падение напряжения называется прямым падением напряжения на диоде. В даташитах обозначается как V_f , то есть Voltage drop.

прямое падение напряжения на диоде

Если пропустить через такой диод прямой ток, то мощность, которая будет на нем рассеиваться, будет определяться формулой:

V_f – прямое падение напряжение на диоде, В

Поэтому, одним из главных преимуществ диода Шоттки является то, что его прямое падение напряжения намного меньше, чем у простого диода. Следовательно, он будет меньше рассеивать тепло, или простым языком, меньше нагреваться.

Давайте рассмотрим один из примеров. Возьмем диод 1N4007. Его прямое падение напряжения составляет 0,83 Вольт, что типично для простого полупроводникового диода.

падение напряжение на диоде в прямом включении

В настоящий момент через него проходит сила тока, равная 0,5 А. Давайте рассчитаем его рассеиваемую мощность в данный момент. P=0,83 x 0,5 = 0,415 Вт.

Если рассмотреть этот случай через тепловизор, то можно увидеть, что его температура корпуса составила 54,4 градуса по Цельсию.

Теперь давайте проведем тот же самый эксперимент с диодом Шоттки 1N5817. Как вы видите, его прямое падение напряжения составило примерно 0,35 В.

падение напряжения на диоде Шоттки при прямом включении

При прохождении силы тока через диод Шоттки в 0,5 А, мы получим рассеиваемую мощность P=0,5 x 0,35 = 0,175 Вт. При этом тепловизор нам покажет, что температура корпуса уже будет 38,2 градуса.

Следовательно, Шоттки намного эффективнее, чем простой полупроводниковый диод в плане пропускания через себя прямого тока, так как он обладает меньшим падением напряжения, а следовательно, меньше рассеивает тепло в окружающее пространство и меньше нагревается.

Прямое падение напряжения можно также посмотреть и в даташитах. Например, прямое падение напряжения на диоде Шоттки 1N5817 можно найти из графика зависимости прямого тока от падения напряжения на диоде Шоттки

график зависимости прямого тока от напряжения

В нашем случае если следовать графо-аналитическому способу, то мы как раз получаем значение 0,35 В

Диод Шоттки в ВЧ цепях

Также диоды Шоттки обладают быстрой скоростью переключения. Это значит, что мы можем использовать их в высокочастотных (ВЧ) цепях.

Итак, возьмем генератор частоты и выставим синус частотой в 60 Гц

Возьмем диод 1N4007 и диод Шоттки 1N5817. Подключим их по простой схеме однополупериодного выпрямителя

и будем снимать с них показания

Как вы видите, оба они прекрасно справляются со своей задачей по выпрямлению сигнала на частоте в 60 Гц.

Но что будет, если мы увеличим частоту до 300 кГц?

Ого! Диод Шоттки более-менее справляется со своей задачей, что нельзя сказать о простом диоде 1N4007. Простой диод не может справиться со своей задачей не пропускать обратный ток, поэтому на осциллограмме мы видим отрицательный выброс

Отсюда можно сделать вывод: диоды Шоттки рекомендуется использовать в ВЧ цепях.

Обратный ток утечки

Но раз уж диоды Шоттки такие крутые, то почему бы их не использовать везде? Почему мы до сих пор используем простые диоды?

Если мы подключим диод в обратном направлении, то он будет блокировать прохождение электрического тока. Это верно, но не совсем. Очень маленький ток все равно будет проходить через диод. В некоторых случаях это не принимают во внимание. Этот маленький ток называется обратным током утечки. На английский манер это звучит как reverse leakage current.

Он очень мал, но имеет место быть.

Проведем простой опыт. Возьмем лабораторный блок питания, выставим на нем 19 В и подадим это напряжение на диод в обратном направлении

Замеряем ток утечки

обратный ток утечки диода

Как вы видите, его значение составляет 0,1 мкА.

Давайте теперь повторим этот же самый опыт с диодом Шоттки

обратный ток утечки диода Шоттки

Ого, уже почти 20 мкА! Ну да, в некоторых случаях это сущие копейки и ими можно пренебречь. Но есть схемы, где все-таки недопустим такой незначительный ток. Например, в схемах пикового детектора

схема пик детектора

В этом случае эти 20 мкА будут весьма значительны.

Но есть также еще один камень преткновения. С увеличением температуры обратный ток утечки возрастает в разы!

зависимость обратного тока утечки от температуры корпуса диода Шоттки

Поэтому, вы не можете использовать Шоттки везде в схемах.

Но и это еще не все. Обратное напряжение для диодов Шоттки в разы меньше, чем для простых выпрямительных диодов. Это можно также увидеть из даташита. Если для диода 1N4007 обратное напряжение составляет 1000 В

То для диода Шоттки 1N5817 это обратное напряжение уже будет составлять всего-то 20 В

Поэтому, если это напряжение превысит значение, которое описано в даташите, мы в итоге получим:

Применение диодов Шоттки

Диоды Шоттки находят достаточно широкое применение. Их можно найти везде, где требуется минимальное прямое падение напряжения, а также в цепях ВЧ. Чаще всего их можно увидеть в компьютерных блоках питания, а также в импульсных стабилизаторах напряжения.

Также эти диоды нашли применение в солнечных панелях, так как солнечные панели генерируют электрический ток только в светлое время суток. Чтобы в темное время суток не было обратного процесса потребления тока от аккумуляторов, в панели монтируют диоды Шоттки

Шоттки в солнечных панелях

В компьютерной технике чаще всего можно увидеть два диода в одном корпусе

При написании данной статьи использовался материал с этого видео

Виды диодов

Диод Шоттки относится к семейству диодов. Выглядит он почти также, как и его собраться, но есть небольшие отличия.

Простой диод выглядит на схемах вот так:

обозначение диода на схеме

Стабилитрон уже обозначается, как диод с “кепочкой”

обозначение стабилитрона на схеме

Диод Шоттки имеет две “кепочки”

обозначение диода шоттки на схеме

Чтобы проще запомнить, можно добавить голову и ножки и представить себе человечка, танцующего ламбаду)

Обратное напряжение диода

Итак, как вы помните, диод пропускает электрический ток только в одном направлении, а в другом направлении блокирует прохождение электрического тока до какого-то критического значения, называемым обратным напряжением диода.

Это значение можно найти в даташите

обратное напряжение диода

Для каждой марки диода оно разное

Если превысить это значение, то произойдет пробой, и диод выйдет из строя.

Падение напряжения на диоде Шоттки

Если же подать прямой ток на диод, то на диоде будет “оседать” напряжение. Это падение напряжения называется прямым падением напряжения на диоде. В даташитах обозначается как V_f , то есть Voltage drop.

прямое падение напряжения на диоде

Если пропустить через такой диод прямой ток, то мощность, которая будет на нем рассеиваться, будет определяться формулой:

V_f – прямое падение напряжение на диоде, В

Поэтому, одним из главных преимуществ диода Шоттки является то, что его прямое падение напряжения намного меньше, чем у простого диода. Следовательно, он будет меньше рассеивать тепло, или простым языком, меньше нагреваться.

Давайте рассмотрим один из примеров. Возьмем диод 1N4007. Его прямое падение напряжения составляет 0,83 Вольт, что типично для простого полупроводникового диода.

падение напряжение на диоде в прямом включении

В настоящий момент через него проходит сила тока, равная 0,5 А. Давайте рассчитаем его рассеиваемую мощность в данный момент. P=0,83 x 0,5 = 0,415 Вт.

Если рассмотреть этот случай через тепловизор, то можно увидеть, что его температура корпуса составила 54,4 градуса по Цельсию.

Теперь давайте проведем тот же самый эксперимент с диодом Шоттки 1N5817. Как вы видите, его прямое падение напряжения составило примерно 0,35 В.

падение напряжения на диоде Шоттки при прямом включении

При прохождении силы тока через диод Шоттки в 0,5 А, мы получим рассеиваемую мощность P=0,5 x 0,35 = 0,175 Вт. При этом тепловизор нам покажет, что температура корпуса уже будет 38,2 градуса.

Следовательно, Шоттки намного эффективнее, чем простой полупроводниковый диод в плане пропускания через себя прямого тока, так как он обладает меньшим падением напряжения, а следовательно, меньше рассеивает тепло в окружающее пространство и меньше нагревается.

Прямое падение напряжения можно также посмотреть и в даташитах. Например, прямое падение напряжения на диоде Шоттки 1N5817 можно найти из графика зависимости прямого тока от падения напряжения на диоде Шоттки

график зависимости прямого тока от напряжения

В нашем случае если следовать графо-аналитическому способу, то мы как раз получаем значение 0,35 В

Диод Шоттки в ВЧ цепях

Также диоды Шоттки обладают быстрой скоростью переключения. Это значит, что мы можем использовать их в высокочастотных (ВЧ) цепях.

Итак, возьмем генератор частоты и выставим синус частотой в 60 Гц

Возьмем диод 1N4007 и диод Шоттки 1N5817. Подключим их по простой схеме однополупериодного выпрямителя

и будем снимать с них показания

Как вы видите, оба они прекрасно справляются со своей задачей по выпрямлению сигнала на частоте в 60 Гц.

Но что будет, если мы увеличим частоту до 300 кГц?

Ого! Диод Шоттки более-менее справляется со своей задачей, что нельзя сказать о простом диоде 1N4007. Простой диод не может справиться со своей задачей не пропускать обратный ток, поэтому на осциллограмме мы видим отрицательный выброс

Отсюда можно сделать вывод: диоды Шоттки рекомендуется использовать в ВЧ цепях.

Обратный ток утечки

Но раз уж диоды Шоттки такие крутые, то почему бы их не использовать везде? Почему мы до сих пор используем простые диоды?

Если мы подключим диод в обратном направлении, то он будет блокировать прохождение электрического тока. Это верно, но не совсем. Очень маленький ток все равно будет проходить через диод. В некоторых случаях это не принимают во внимание. Этот маленький ток называется обратным током утечки. На английский манер это звучит как reverse leakage current.

Он очень мал, но имеет место быть.

Проведем простой опыт. Возьмем лабораторный блок питания, выставим на нем 19 В и подадим это напряжение на диод в обратном направлении

Замеряем ток утечки

обратный ток утечки диода

Как вы видите, его значение составляет 0,1 мкА.

Давайте теперь повторим этот же самый опыт с диодом Шоттки

обратный ток утечки диода Шоттки

Ого, уже почти 20 мкА! Ну да, в некоторых случаях это сущие копейки и ими можно пренебречь. Но есть схемы, где все-таки недопустим такой незначительный ток. Например, в схемах пикового детектора

схема пик детектора

В этом случае эти 20 мкА будут весьма значительны.

Но есть также еще один камень преткновения. С увеличением температуры обратный ток утечки возрастает в разы!

зависимость обратного тока утечки от температуры корпуса диода Шоттки

Поэтому, вы не можете использовать Шоттки везде в схемах.

Но и это еще не все. Обратное напряжение для диодов Шоттки в разы меньше, чем для простых выпрямительных диодов. Это можно также увидеть из даташита. Если для диода 1N4007 обратное напряжение составляет 1000 В

То для диода Шоттки 1N5817 это обратное напряжение уже будет составлять всего-то 20 В

Поэтому, если это напряжение превысит значение, которое описано в даташите, мы в итоге получим:

Применение диодов Шоттки

Диоды Шоттки находят достаточно широкое применение. Их можно найти везде, где требуется минимальное прямое падение напряжения, а также в цепях ВЧ. Чаще всего их можно увидеть в компьютерных блоках питания, а также в импульсных стабилизаторах напряжения.

Также эти диоды нашли применение в солнечных панелях, так как солнечные панели генерируют электрический ток только в светлое время суток. Чтобы в темное время суток не было обратного процесса потребления тока от аккумуляторов, в панели монтируют диоды Шоттки

Шоттки в солнечных панелях

В компьютерной технике чаще всего можно увидеть два диода в одном корпусе

При написании данной статьи использовался материал с этого видео