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ZHCAFJ0 July 2025 ESD1LIN24

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简介

齐纳二极管广泛用于许多直流电压调节应用。在这些情况下，由于低效功率容量会导致产生过多热量，最终损坏二极管和其他附近的元件，因此器件的电源能力可能变得至关重要。TI 采用市场上使用最广泛的封装 SOT-23 来制作大功率齐纳二极管，从而解决了这一难题。SOT-23 是一种带引线的 3 引脚封装，尺寸约为 2.9mm x 2.4mm。由于器件的材料组成和独特的引线框，热性能提升近 50%。具有更好的热性能会改善整体功率耗散。以下各节详细介绍了 TI 制作大功率 SOT-23 齐纳二极管的步骤、在此过程中进行的竞争分析以及一个应用示例的概要。

竞争分析

数十年来，SOT-23 封装一直在齐纳市场中占据主导地位。这种封装可灵活容纳多种不同类型的二极管和多通道型号。然而，封装面临的挑战是功率输出限制，这就是市场上的 SOT-23 齐纳二极管的主要上限为 300mW 的原因。功率耗散的主要影响因素是器件的热性能，具体而言就是 R_θJA。R_θJA 是结温至环境温度热阻，用于衡量安装在特定测试板（通常是具有单面铜的 FR-4 印刷电路板）上的封装的热性能。附连测试板在不同公司之间进行比较。

R_θJA 值越低，表示封装在结温与环境温度之间传递热量越容易，意味着封装的热效率越高。这可以防止器件过热，并可能延长器件的使用寿命。如表 1 所示，TI 的 R_θJA 与当今市场上的一些竞品之间存在显著差异。竞品 C 使用在功耗方面位居第二的不同封装。包括这句话是为了表明，TI 的 SOT-23 即使封装尺寸减小 20%，也可以在 SOD-123 齐纳领域中竞争。

表 1 齐纳二极管的竞争分析

	TI	竞品 A	竞品 B	竞品 C
R_θJA	285.5°C/W	417°C/W	500°C/W	338°C/W
P_D	430mW	300mW	250mW	370mW
封装	SOT-23	SOT-23	SOT-23	SOD123
主体面积	3.8mm²	3.8mm²	3.8mm²	4.8mm²

表 1 还显示了功率耗散 (P_D)。为了计算器件的总功率耗散，使用以下公式，其中 T_J 为结温，T_A 为环境温度。使用 150°C 的最大结温限值和 25°C 的环境温度以及上面列出的 R_θJA，可以计算功率耗散。这适用于表 1 中的所有值。

方程式 1.

T_{J} = T_{A} + (P_{D} \times R_{θ J A})

材料成分

为了克服功率耗散的挑战，尤其小型封装的挑战，材料成分变得至关重要。这包括引线框材料、安装涂料、模塑化合物等。在竞争格局中，采用了铁镍合金引线框，但其热导率较低。铁镍合金是一种使用了数十年的材料，众所周知，由于材料和结构的原因，这种材料会出现分层和焊点问题。作为替代方案，铜合金引线框材料的导热性要高得多。由于这种材料差异，TI 的 SOT-23 齐纳二极管在较长的时间内表现更好，如图 1 所示。图中比较了 TI SOT-23 封装和竞品 SOT-23 封装之间 R_θJA 随时间的变化情况。在进行热分析时，一些参数（如裸片厚度、裸片贴装、引线框材料和引线框设计）保留为实际结构。为了在两个器件之间进行准确比较，裸片尺寸和 PCB 是常数。

图 1 SOT-23 封装热比较

根据图 1，竞品器件在短时间内确实表现更好一点。原因在于裸片连接材料不同。裸片连接是用于将裸片连接到引线框的材料。竞品器件使用纯银和背面镀层，这可以保证短时间内更好的导热性，但可能是一种成本更高的布线。下图展示了竞品器件的裸片连接的材料成分，其中大多数构成是银 (Ag)。纯银芯片贴装的替代方案是改用银环氧树脂。银环氧树脂的热导率不同，但环氧树脂可以缩短制造时间并提高可靠性。设计器件时总是需要权衡取舍，但对于我们的情况，采用的布线在功率耗散方面发挥了巨大优势。

图 2 裸片连接成分

引线框设计

影响热性能的另一个因素是引线框的设计。SOT-23 的两种常见引线框设计如下图所示。这些设计通常称为标准引线框或分离引线框。标准引线框具有一个较大的中间焊盘，裸片安装在该焊盘上并与外部焊盘绑定。由于尺寸限制，无法使用标准引线框设计将裸片放置在外部焊盘上。分离引线框是指引线框不是连续结构，而是拆分或分开的结构。对于分离式 SOT-23 引线框，裸片可以位于中间焊盘或外部焊盘上，具体取决于器件配置。相比两种引线框样式，标准引线框显然具有更大的中间焊盘。这个更大的焊盘可以改善散热，从而实现更好的整体热性能。

图 3 SOT-23 标准引线框

图 4 SOT-23 分离引线框

应用

更高功率的齐纳二极管在许多应用中都很有用，例如医疗设备、电动工具、智能仪表和高级驾驶辅助系统 (ADAS)。具体到 ADAS 系统中，通常使用 350mW 至 500mW 的更高功率齐纳二极管提供电池反向保护。在这些设计中，由于具有更高的功率容量，通常使用 SOD123 齐纳二极管，但 TI 可以在 SOT-23 封装中实现相同的功率容量。SOT-23 和 SOD123 在 PCB 上的空间大小几乎一样，但 SOT-23 具有更小的外形尺寸、更小的封装尺寸，并且更具成本效益。

查看 ADAS 的 TIDA-050008 参考设计的以下原理图，ADAS 使用了 15V、370mW SOD-123 齐纳二极管在过压事件期间钳制比较器的电压。钳制比较器电源电压的主要目的是使电压不超过 MOSFET 的最大栅源电压 (V_{GS (MAX)})。在该应用中，TI 的 BZX84C15V-Q1（也有商用版本）是一款 15V、430mW SOT-23 齐纳二极管，可轻松取代电流齐纳二极管。

图 5 ADAS 的反向电池保护

总结

随着 PCB 尺寸变得越来越受空间限制，应用的功耗越来越高，项目物料清单变得更加复杂，优化更小和常用封装功耗的重要性不断增加。TI 通过引入高功率 SOT-23 实现了这一点，并有助于整合其他封装（如 SOD123）的功率需求。通过优化引线框设计的材料选择，我们的 SOT-23 齐纳二极管能够更好地应对我们的许多客户挑战。更多有关 TI 齐纳二极管的信息，请查看我们的页面。