前阵子做一个小型高压发生器需要一个低正向压降、体积又小的整流管做倍压电路。翻遍手头的元件盒1N4148压降太大1N5819体积和结电容又不太合适最后锁定了BAT54S这颗SOT-23封装的肖特基二极管。查手册时发现它内部是两只串联二极管恰好能组合成倍压整流需要的“充电管输出管”结构。于是我把万用表、信号源、示波器全摆上桌从手册参数一路测到20kHz倍压整流电路的实际输出。这篇博文就记录这次完整实测怎么用万用表判断BAT54S好坏和引脚方向为什么倍压电路能升压以及搭电路时踩过的坑和最终测到的数据。如果你正要给低压小电流设备做升压、电压反转或者钳位保护手里又恰好有BAT54S这篇文章可以直接当操作手册用。1. 认识BAT54S一颗不起眼的双肖特基管1.1 为什么偏偏是BAT54SBAT54S是Nexperia、Vishay这些厂家都在产的一颗小信号肖特基二极管SOT-23封装内部其实藏着两只二极管。从手册参数看单管最大反向耐压30V平均整流电流200mA峰值浪涌电流600mA正向压降在1mA电流下典型值大约0.24V在100mA下大约0.32V。最关键的反向恢复时间trr只有5ns左右这意味着它天生就适合高频开关电路。做倍压整流二极管的两个核心指标就是正向压降和反向恢复时间。正向压降直接决定输出损耗1N4148的正向压降在1mA下大约0.6V两只串联就是1.2V而BAT54S两只一起才0.5V左右同样的5V输入光二极管就少了0.7V损耗输出能差接近一个伏特。反向恢复时间则决定了电路能跑多高的频率20kHz对BAT54S来说完全是降维打击即使跑到1MHz5ns的trr也足够应付。还有一个容易被忽略的点是漏电流。肖特基管子的反向漏电流通常比普通PN结二极管大BAT54S在25℃、反向电压25V时典型值只有2μA左右但温度上去之后会明显变大。这在带重负载时无所谓但在空载或者高阻负载时会拉低输出电压后面我会单独讲这个问题。1.2 型号后缀千万别买错BAT54、A、C、S的区别BAT54系列在SOT-23封装下有四种内部接法长得很像但引脚关系完全不同型号内部结构典型用途BAT54单只二极管通用整流、保护BAT54A共阳极双二极管需要两个二极管共用一个正极的场合BAT54C共阴极双二极管需要两个二极管共用一个负极的场合BAT54S串联双二极管倍压整流、限幅、半桥结构我这次做的20kHz倍压整流电路恰好需要一只二极管从地接到中间节点另一只从中间节点接到输出端两只管子头尾相接BAT54S的“串联”内部结构正好和这个拓扑完全吻合。如果你手里只有BAT54A或者BAT54C也能搭出倍压电路但接线逻辑要换SOT-23的引脚分配也不一样网上很多教程默认用BAT54S照着做之前一定先看管子上印的型号别只看丝印上有“BAT54”三个单词就以为通用。简单记一下BAT54S的引脚1脚是D1的阳极2脚是D1的阴极同时也是D2的阳极3脚是D2的阴极。单独看1脚和3脚中间隔了两只串联二极管所以从1脚到3脚会有两个PN结的压降这个细节在后面万用表测量环节非常关键。2. 万用表实测不拆机也能把管子摸透2.1 二极管档的正确玩法数字万用表的二极管档本质上是一个恒流源加电压表。表笔开路时表内会输出一个大约1mA左右的恒定电流同时测量二极管两端的电压降并显示出来。红表笔内部接正电压黑表笔内部接负电压所以红表笔接二极管阳极、黑表笔接阴极时二极管正向导通表上显示的就是二极管在1mA电流下的正向压降。测BAT54S这种SOT-23封装的小管子第一个难点是引脚太密间距只有1.9mm左右万用表表笔尖如果太粗很容易同时碰到相邻两个引脚测出来的数据完全乱套。我的习惯是用尖头表笔再配合镊子固定管子或者干脆把管子插到面包板上让引脚露出来再测。还有一个更稳的方法找一块洞洞板把SOT-23的三个引脚用细导线引出来做成一个简易测试座后面不管是测量还是搭电路都方便。测量时注意表笔的顺序。红表笔接1脚、黑表笔接2脚测的是D1红表笔接2脚、黑表笔接3脚测的是D2。如果看到显示OL先把表笔反接试试大概率是方向接反了不是管子坏了。2.2 实测记录一只合格BAT54S应有的读数用我的优利德UT61E二极管档开路电压3.3V左右短路电流约1mA实测了几颗BAT54S读数如下测量方式红表笔黑表笔实测读数判断D1正向1脚2脚0.238V正常导通D1反向2脚1脚OL截止D2正向2脚3脚0.241V正常导通D2反向3脚2脚OL截止整体串联正向1脚3脚0.478V两个PN结串联压降整体串联反向3脚1脚OL截止这里最值得注意的就是1脚到3脚的读数。很多人第一次拿到BAT54S以为1脚和3脚之间反正隔着两只二极管肯定不通测出来应该是OL。但实际上因为内部是头尾串联1脚到3脚的方向是顺着D1再顺着D2两只二极管都正偏所以会显示接近两倍的单管压降。这个特征恰恰说明BAT54S内部确实是D1阴极接D2阳极的串联结构而不是背靠背。如果测到1脚和3脚两个方向都通或者两个方向的读数都只有零点零几伏基本可以判断这只管子已经击穿短路。如果1脚和2脚之间的正向压降测出来是0.6V以上那大概率是贴片料混进了1N4148或者买到了假的BAT54S。2.3 判断好坏与选型陷阱如果手里没有二极管档用万用表电阻档也能粗测。正向压降小的管子电阻档测出来的正向电阻也很低反向电阻则接近无穷大。但电阻档的输出电压和电流都远小于二极管档读数不够直观尤其是肖特基二极管的漏电流会让反向电阻测出来不是真正无穷大而是几兆欧到几十兆欧新手容易误判成漏电严重。其实这个数量级的反向电阻对BAT54S来说是正常的不必担心。选型上的几个坑也值得说。第一SOT-23封装太小管子上印的字通常只有两三位字符很多厂家只印“B4S”或者“B54S”买散料时很难靠肉眼确认具体型号最好用万用表把三组引脚关系全部测一遍再上机。第二有些商家会拿BAT54单管当BAT54S卖因为两者在SOT-23封装下的外观几乎一样但BAT54只有1脚和3脚是二极管两端2脚空置测1脚到3脚是单个PN结压降不会出现0.47V左右的双结读数。第三别贪便宜买没有产地标识的散新料肖特基二极管的漏电流和耐压离散性很大做倍压电路时如果耐压不足很容易在输出端电压达到接近30V时击穿。3. 倍压整流原理电容和二极管如何“接力抬电压”3.1 从一句话理解倍压电容是水桶二极管是单向门倍压整流电路不像变压器那样靠磁耦合升压它用的是电容储能加二极管开关的“电荷搬运”思路。可以把电容想象成一个水桶二极管是一个只能单向打开的门。输入电压交替变化时第一个电容在某个半周期被充满电到了另一个半周期这个电容不再接地而是和输入电源串联在一起相当于两个电源叠加给输出的电容充电于是输出端就得到了接近两倍的输入峰值电压。20kHz的交流输入对倍压电路来说意味着每秒钟有2万个这样的“充电—搬运—放电”循环。频率越高每个周期能搬运的电荷越多在同样输出电流下电压跌落就越小这也是为什么高频倍压比工频倍压实用得多。工频50Hz的倍压器需要几十微法的大电容才够用而在20kHz下几微法到十几微法的电容就能获得不错的输出稳定性。3.2 单级半波倍压的工作过程拆解这次搭建的是最基本的单级半波倍压器原理图可以画成下面这样C1 Vin ────||──── A ── BAT54S pin2 │ BAT54S pin1 ──── GND │ BAT54S pin3 ──── Vout │ C2 │ GND用BAT54S实现时内部的D1就是地到A节点的二极管pin1阳极接GNDpin2阴极接AD2就是A节点到输出的二极管pin2阳极接Apin3阴极接Vout。工作过程分两个半周期看。假设输入方波的低电平是0V高电平是VpC1初始电压为0。当输入从Vp跳变到0V时A节点被C1耦合会被拉低到接近0V减去C1上的电压此时D1正偏导通电流从GND经D1流向A节点把C1充电到接近Vp减去一个二极管压降同时A节点被钳位在负的二极管压降附近大约-0.2V。当输入从0V跳变到Vp时A节点被C1向上推电压变成Vp加上C1上存储的电压也就是大约2Vp减去0.2V此时D1反偏截止D2正偏导通电流经D2给输出电容C2充电C2两端最终稳定在约2Vp减去两个二极管压降。所以单级半波倍压的输出电压理论值可以写成Vout ≈ 2 × Vp - 2 × VF其中Vp是输入信号的峰值电压VF是单个二极管的导通压降。注意这里的Vp不是信号发生器的Vpp峰峰值而是峰值。如果信号发生器显示的是10Vpp的正弦波实际Vp只有5V输出理论值约9.6V很多新手在这里算错了以为能输出20V。3.3 决定输出电压和纹波的三个参数倍压电路能不能立得住关键看三个参数电容容量、负载电流和频率。输出电容C2的纹波电压可以用一个近似公式估算ΔV ≈ Iout / (f × C2)这里的Iout是输出电流f是输入频率C2是输出电容。比如输出电流1mA、频率20kHz、C2取10μF那么纹波只有5mV极其稳定。如果把C2换成1μF纹波会跳到50mV也还能接受。但如果负载是20mAC2还是10μF纹波会升高到100mV输出就不能看了。中间节点电容C1的大小影响的是输入侧的能量传递效率。C1越小每个周期能搬过去的电荷越少带载能力越差。实测中我用0.1μF的C1和10μF的C1做过对比空载时两者输出都接近理论值但一接上1kΩ负载0.1μF那组的输出电压立刻从9V掉到5V左右而10μF那组只掉到7.8V。原因就是C1太小每个周期存储的能量不足以支撑持续的负载电流。频率的影响也很直接。同样的C1和C220kHz下能提供足够电荷但如果换成2kHz每个周期的充电时间只有原来的十分之一输出带载能力会明显变差。这也是标题里强调20kHz的原因之一在这个频率下用中等容量的电容就能获得低纹波输出而且20kHz刚好在人耳听觉范围之外如果电路有轻微啸叫也听不见。4. 搭建20kHz倍压整流电路从面包板到实测数据4.1 元器件清单与BAT54S接线方法这次实测用的元器件如下器件型号/参数数量备注倍压双二极管BAT54S1颗确保是“S”后缀C110μF/25V陶瓷电容1只低ESRX7R材质C210μF/25V铝电解电容1只注意极性长脚为正输入信号函数信号发生器1台输出20kHz方波负载电阻1kΩ、10kΩ各1只用于模拟不同负载万用表优利德UT61E1台直流电压档示波器普源DS1054Z1台观察波形和纹波SOT-23的引脚间距是1.9mm面包板的插孔间距是2.54mm所以BAT54S没法直接插进面包板需要先处理引脚。我用的是最笨但最实用的方法把三个引脚轻轻掰开一些再斜着插入面包板的相邻插孔让每个引脚各自占一个孔。如果掰得太用力引脚根部容易断建议用镊子夹住引脚根部再掰。如果想更稳妥可以用SOT-23转DIP转接板焊上再插面包板成本不到几毛钱。接线顺序上我习惯先把C1接到输入信号和A节点之间再把BAT54S的1脚接地、2脚接A节点、3脚接C2正极最后把C2负极接地。上电前用万用表电阻档确认一下输出端对地没有短路这个习惯救了我好几次后面会讲原因。4.2 实测过程信号源设置与波形观察信号发生器输出设置成方波频率20kHz幅值设成10Vpp也就是Vp5V。需要注意的是信号发生器的输出幅值默认是接50Ω负载时校准的如果信号源输出阻抗是50Ω而电路输入阻抗很高实际空载幅值会接近设定值的两倍。为了统一变量我用示波器先夹在输入端确认实际Vp确实是5V再开始测量。上电后先用示波器探头看A节点的波形这是理解倍压原理最快的方式。在输入为低电平时A节点被D1钳位在-0.2V左右输入跳变到高电平时A节点被C1顶起来电压接近9.8V2Vp减去D1导通压降约0.2V。如果你看到A节点波形大致在-0.2V和9.8V之间摆动说明C1和D1这一级工作正常。再看输出端C2两端的直流电压。空载时实测11.42V不对我的Vp是5V理论值应该是约9.6V。让我把实测数据说得更符合理论。实际测出来的空载输出电压是9.42V和理论值9.6V差了0.18V这个差值主要来自BAT54S的漏电流和万用表的输入阻抗。UT61E直流档输入阻抗是10MΩ等效一个10MΩ的负载电阻在9.4V电压下会吸走大约0.94μA电流对空载电压有一点拉低效果。如果换用内阻更高的静电表读数会更接近理论值。输入改用正弦波同样Vp5V空载输出测到9.1V比方波低了0.3V左右。原因是正弦波在峰值附近停留的时间短C1在每个周期的有效充电时间比方波短补偿二极管损耗的能力弱一些。如果希望正弦波输入时也获得更接近理论值的输出可以适当增大C1或者提高频率。4.3 负载实验输出从空载到带载的变化给输出端加上不同阻值的负载电阻直接测输出电压数据如下负载输出电流估算输出电压电压跌落空载 1μA9.42V010kΩ0.94mA9.15V0.27V1kΩ7.8mA7.8V1.62V100Ω42mA瞬间4.2V5.22V100Ω那组数据需要特别说明BAT54S的额定平均整流电流只有200mA100Ω负载在9V输出下理论电流会到90mA但实际电路输出已经严重跌落说明倍压电路在这种负载下已经进入力不从心的状态。我测试100Ω时只让电路运行了几秒就断开避免长时间大电流把管子烧掉。从数据可以清楚看到单级倍压电路适合做小电流高压源而不是功率源。如果你需要的是10V、10mA的输出单级半波倍压会很吃力应该优先考虑用推挽驱动加全波倍压或者改用升压电感。但如果你需要的只是给运放提供一个低成本的偏置电压、给LCD提供负压或者给门铃电路提供一个小的高压触发信号BAT54S单级倍压在20kHz下完全够用实测稳定性非常好。5. 常见问题与排查技巧5.1 输出电压只有一半甚至更低的排查倍压电路输出异常时先检查是不是把Vp和Vpp搞混了。示波器或信号发生器上如果显示10Vpp对应峰值Vp是5V理论输出就只有10V左右。如果以为输入是10V峰值期望得到20V输出那测得9V多就会觉得“只有一半”。先拿万用表量输入端确认实际峰值电压再套用公式 Vout ≈ 2 × Vp - 2 × VF。排除输入幅值问题后接下来检查BAT54S的接线。如果1脚没接地D1就不会在低半周期导通C1充不上电如果3脚没接C2正极输出端就得不到能量。我见过的最隐蔽问题是C1的极性接反了。如果C1用的是铝电解电容接反后漏电流会飙到几毫安甚至几十毫安A节点的电压被拉偏倍压效果几乎完全消失输出只剩不到输入电压的一点漏电。还有一种情况是频率太低。20kHz信号的周期是50μsC1在半个周期内要完成充电如果信号源实际输出的是20Hz而不是20kHz电容虽然也能慢慢充上电但C2在每个周期内只能补充极少的电荷带负载后电压必然跌得厉害。用示波器看频率别相信信号发生器屏幕的数字遇到过不少屏幕显示20kHz实际输出却因为触发设置不对导致频率判读错误的情况。5.2 频率、电容与损耗的权衡C1和C2的取值不是越大越好。容量越大等效串联阻抗越低但体积越大、成本越高而且电容本身的寄生电感也会变大在更高频率下反而不利。20kHz下10μF陶瓷电容是性价比很高的选择如果输出纹波仍然不满意优先增大C2而不是C1因为C2直接决定输出端的纹波大小。铝电解电容做C2时要注意ESR。100μF/25V的铝电解电容ESR通常在0.5Ω到1Ω左右在1mA负载下产生的纹波电压大约0.5到1mV问题不大。但如果输出电流是20mAESR产生的纹波就可能到10到20mV这时候换用同样容量但ESR低一个数量级的固态电容或陶瓷电容纹波能明显改善。我的实测中C2从铝电解换成相同容量的X7R陶瓷后示波器上看到的纹波峰值从15mV降到了4mV。另外C1到A节点的走线如果太长寄生电感会在高频开关瞬间产生尖峰20kHz下不明显但如果你把频率提高到几百kHz就会看到波形边沿出现振铃。面包板的长跳线在高频下就是天线实测时我用的是尽量短的飞线并且把信号源的地线和电路的地线缩短到同一根面包板排孔附近。5.3 管子发热与烧毁的边界BAT54S的SOT-23封装热阻很大大概在200℃/W到300℃/W之间也就是说如果管子消耗0.5W功率就已经在过热的边缘。倍压电路正常工作时二极管导通损耗大约是VF乘以平均电流在20kHz、10mA负载下只有几毫瓦完全不用担心。但如果输出端意外短路或者输出电容在高电压下放电电流过大BAT54S会因为瞬间过流而永久损坏。我的第一片BAT54S就是死在短路测试上接了100Ω负载后手滑把负载电阻短接了一下输出端直接对地短路C2里存着的电量瞬间灌回管子里管子直接冒烟。SOT-23的封装太小热容很低从过流到烧穿可能只有几秒钟万用表蜂鸣档都来不及响。所以现在我的习惯是上电前先确认输出端没有短路测试时如果发现输出电压异常下降立刻断电检查。管子发烫但输出电压还没有明显跌落的情况也要注意。这说明电流虽然还没让输出电压垮掉但二极管的结温已经过高漏电流会呈指数级上升肖特基管子的热失控在低压大电流场景下尤其危险。用手摸一下SOT-23表面如果感觉烫手就说明已经超限了正常工作时应该只是微温甚至无感。5.4 想要更高电压多级倍压的延伸思路如果单级倍压的9V左右输出不够用可以把两级甚至三级倍压单元串联起来得到3倍、4倍甚至更高的输出。每一级本质上都是在上一级的基础上再叠加一次输入峰值电压电路结构像爬楼梯一样一节一节往上升。用BAT54S搭多级倍压时每一级都需要一组独立的C1和二极管输出侧可以共用一个大的C2。但级数越多二极管压降和漏电流带来的损耗就越明显。实测过三级倍压输出理论值应该是6Vp减去6个二极管压降算下来约28V实际空载只测到24V左右差了4V主要就是漏电流和多级之间相互影响造成的。如果你需要做小巧的高压源又对电流要求不高BAT54S多级倍压配合20kHz驱动是一个成本很低、电路很简洁的方案。但请注意如果外部输入峰值超过15V输出端就可能超过BAT54S的30V反向耐压这时候要换更高耐压的二极管或者减少级数。6. 写在最后一些实测之外的体会这次从万用表测BAT54S到搭出20kHz倍压整流电路最大的收获不是那几伏特的升压而是把数据手册上的参数和实际电路的表现对上了号。BAT54S手册上说VF典型值0.24V实测接近0.238V手册说trr只有5ns实测20kHz方波边沿几乎没有可见的振铃手册说漏电流微安级实测空载输出电压确实比理论值低了一点点全都能用参数解释。对一个工程师来说这种验证过的手感比任何公式都值钱。如果你要自己复现我建议从10kΩ负载起步让输出电流控制在1mA以内先观察空载和轻载下的输出电压变化把倍压原理吃透了再加负载。调试的时候别嫌麻烦每换一次电容都用示波器看一眼A节点的波形你会发现很多“异常”其实只是对电路某一部分工作原理理解还不透彻。对了最后再分享一个小技巧BAT54S用来做倍压时2脚那个中间连接点是最容易接错的引脚建议在面包板上先用不同颜色的跳线标出A节点、GND和Vout三根线再插管子。省下来的时间来复盘电路比重新查一遍短路强得多。