合宙Air系列模块配套元件常见用法-二极管,下篇

LED是所有的物联网设备上使用量非常大却容易被忽略的一款元件，几乎所有设备都离不开。但因为相对好驱动，接上电就发光，电路简单往往不受重视。但是想用好了其实也有点门道。

#二极管在模块周边的常见用法

## 1 发光二极管

LED是所有的物联网设备上使用量非常大却容易被忽略的一款元件，几乎所有设备都离不开。 但因为相对好驱动，接上电就发光，电路简单往往不受重视。但是想用好了其实也有点门道。

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下面我以1款0805贴片封装的绿色LED介绍一下基本参数

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### 主要参数

1）正向电压

正向电压是发光二极管正常发光的电压，是一个区间值，一般在3V左右，不同的发光管启辉（开始发光）的电压不同，最低的是红色1.8V，最高的是蓝色3V,不同品牌不同工艺的发光管发光电压也有所不同，这点要注意,下图包含了一些常见颜色的发光管的工作电压.
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2）正向电流

正向电流是发光二级管正常的工作电流，随着工作电压不同，电流也会相应发生变化。往往是通过限流电阻来控制电流，对于指示灯用的LED一般1mA以上发光就清晰可变了，30mA左右达到最大，再往上提高电流，亮度变化也不大了，发热却会继续增大，甚至导致二极管烧毁。

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很多人问过合宙模块的IO口可不可以直接驱动LED。 个人认为一般芯片的最大驱动电流普遍达到了5mA，所以驱动电流达到正常发光水平是没问题的，但如果有条件还是建议增加三极管驱动，减小芯片内部电流波动。

### 驱动方式

驱动电压方面，2G的模块IO口电压可以从1.8V-2.8V 调节，电压域与控制的GPIO的对应关系如下：

pmd.LDO_VMMC：GPIO8、GPIO9、GPIO10、GPIO11、GPIO12、GPIO13
pmd.LDO_VLCD：GPIO14、GPIO15、GPIO16、GPIO17、GPIO18
pmd.LDO_VCAM：GPIO19、GPIO20、GPIO21、GPIO22、GPIO23、GPIO24
一旦设置了某一个电压域的电压等级，受该电压域控制的所有GPIO的高电平都与设置的电压等级一致

例如：GPIO8输出电平时，要求输出2.8V，则调用pmd.ldoset(5,pmd.LDO_VMMC)

4G的模块IO电压不可调为1.8V，所以只能驱动红色发光管，其他颜色的都达不到启辉点。

### 典型电路

最简单的驱动电路：

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将发光管一端接地，另一端通过一个二极管连接到IO端口上是最简单的二极管驱动方式，假定输出电压为1.8V，二极管工作电压为1.6V，则分压电阻上面的压降为0.1V，驱动电流为0.5mA，勉强可以看到亮光，且只有红色发光管可以发光。

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为了使发光管亮度舒适，通常我们需要在电路上加上一个三极管做放大，假设供电电压为3.7V，那么所有颜色LED，都能正常驱动发光。 IO口输出高电平时，三极管导通，CE结压降约为0.4V，二极管工作电压为2V时，发光管电流为（3.7-2-0.4)/1000=1.3 mA，如果需要更亮则相应减小三极管C极上的限流电阻的数值。

### 2 防静电二极管

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电路设计方面用来区分专业和非专业设计的一个地方就是在裸露的IO口是否加装了ESD静电保护二极管。虽然说大多数的芯片本身都做了相应的防静电处理，但是在比较干燥的的环境下下，静电依然可以轻易使电路失常。 所以原则上所有悬空的输入或者双向IO口必须加装防静电二极管，最典型的就是sim卡周边，和USB周边。 特别注意，防静电二极管和稳压管类似，动作电压是在反向击穿状态，极性不要弄反。

### 主要参数

1)正常工作电压 (Working voltage)

指防静电二极管两端正常工作状态下，对信号无干涉的工作电压，一般5V或12V的用的比较多。

2）击穿电压 (Breakdown voltage)

指防静电二极管两端的动作电压，达到这个电压，二极管两端的电阻会急剧减小，对于5V的防静电二极管，这个值在5.4-8.5V之间

3）结电容 (Junction capacitance)

结电容决定了防静电二极管两端信号的最大工作频率，目前都在pf级别，可以工作在1G频率以下。

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### 典型电路

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上图是用在720SL开发板上的USB接口电路，USB2.0两端裸露在端口外部，为了防止静电损坏，增加了D2、D3，二极管正极接地，二极管负极接D+、D-，平时二极管工作在反压状态，当外部遭遇静电接触，二极管被瞬间击穿，电流泄放到地端，信号电压钳位在9V以下，起到保护720SL模块内部芯片的作用。

## 3 瞬变电压抑制二极管（TVS）
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瞬变电压抑制二极管TVS是稳压管的一个增强版，具有钳位作用，但是反应速度优于稳压管，作用和ESD保护二极管接近，但是TVS可以耐受更大的功率，用来在可能遭遇强EMC场合，如RS485通讯线上，也是起到保护芯片的作用，往往用在输出驱动端

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1）变位电压

TVS正常工作电压，对信号无干涉的工作电压，不同型号电压不同，是区分型号的主要参数

2）击穿电压

TVS的动作电压，达到这个电压，二极管两端的电阻会急剧减小，对于5V的TVS，这个值在6.4-7V之间

### 典型电路
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上图是用在720DTU主控板上的RS485输出部分，3个TVS用来吸收外部电磁环境送到485驱动芯片输出A端子和B端子和地之间的共模和差模浪涌尖峰电流，从而保护SP3485电平转换芯片。

## 4 整流二极管

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整流管的特点是工作电流比较大，起步都有1A，和所有其他二极管一样，具有单向导通的功能，可以起到简易的降压作用，但工作电流变化会导致一定的电压波动，造成输出供电电压不稳，所以只能用在对电源质量不敏感的场合。 有一种叫肖特基型整流管是相对与传统整流二极管的改良版，正向压降可以减小50%，还有一种快恢复整流二极管，结电容比较小，可以用在高频状态下，如DC-DC开关电源上，现在往往集成在了DC-DC降压芯片中了。

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### 主要参数

1）正向电压 (forward voltage)

用在整流电路里，这个压降希望尽量小，因为正向电压降会带来发热。 但是如果用作降压用，这个效应恰好可以起到一定的降压作用。

2）平均正向电流（average forward current)

平均正向电流决定了整流二极管的最大功率，超过这个电流会导致二极管过热损坏，对于整流二极管，这个值一般都在1A以上，大的可以导到数百A。 对于整流管瞬间的峰值工作电流可以达到平均工作电流的数倍而不至于损坏二极管。

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从上图可以看出，假定外部电压供电恒定不变，单这个二极管工作在100mA和1A的电流在室温20度环境下就会有 0.95-0.75=0.2V的电压波动。 实际电路中再叠加输入电压本来的波动，给模块降压供电的话，VBAT波动在发射状态会达到0.5V以上，容易造成模块异常重启。

### 典型电路

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这是用在合宙Air202 S6核心板电源回路上的降压电路，1N4007用来把外部的5V电源降压到VBAT需要的4.3V以下，请注意由于二极管的压降随电流变化较大，这样降压方式的5V的供电只能用于代码烧写或者电路调试等相对次要的位置。如果需要用作正常的物联网通讯场景，则必须采用LDO或者DC-DC降压。

感谢您的阅读，如果对基本电子元件基本知识感兴趣，请持续关注我。下篇我将介绍三极管和场效应管在模块电路中的常见用途。

发表于 2019-12-11 23:25
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