【導(dǎo)讀】理想二極管使用低導(dǎo)通電阻功率開關(guān)(通常為MOSFET)來模擬二極管的單向電流行為,但沒有二極管的壓降損失。借助額外的背靠背MOSFET和控制電路,該解決方案可以提供更多的系統(tǒng)控制功能,例如優(yōu)先源選擇、限流、浪涌限制等。在傳統(tǒng)解決方案中,這些功能分散在不同的控制器中,因此實現(xiàn)完整的系統(tǒng)保護會很復(fù)雜且麻煩。這里我們將研究理想二極管的主要電路規(guī)格,并介紹一個應(yīng)用示例和新的理想二極管解決方案,該解決方案還在單個IC中集成了實現(xiàn)整體系統(tǒng)保護所需的其他功能。
摘要
本文研究具有背靠背MOSFET的理想二極管以及其他更先進的器件。文中還介紹了一種集成多種功能以提供整體系統(tǒng)保護的理想二極管解決方案。二極管是非常有用的器件,對許多應(yīng)用都很重要。標準硅二極管的壓降為0.6 V至0.7 V。肖特基二極管的壓降為0.3 V。一般來說,壓降不是問題,但在高電流應(yīng)用中,各個壓降會產(chǎn)生顯著的功率損耗。理想二極管是此類應(yīng)用的理想器件。幸運的是,MOSFET可以取代標準硅二極管,并提供意想不到的應(yīng)用優(yōu)勢。
簡介
理想二極管使用低導(dǎo)通電阻功率開關(guān)(通常為MOSFET)來模擬二極管的單向電流行為,但沒有二極管的壓降損失。借助額外的背靠背MOSFET和控制電路,該解決方案可以提供更多的系統(tǒng)控制功能,例如優(yōu)先源選擇、限流、浪涌限制等。在傳統(tǒng)解決方案中,這些功能分散在不同的控制器中,因此實現(xiàn)完整的系統(tǒng)保護會很復(fù)雜且麻煩。這里我們將研究理想二極管的主要電路規(guī)格,并介紹一個應(yīng)用示例和新的理想二極管解決方案,該解決方案還在單個IC中集成了實現(xiàn)整體系統(tǒng)保護所需的其他功能。
理想二極管基礎(chǔ)知識
圖1顯示了采用N溝道功率MOSFET的基本理想二極管。將MOSFET放置在適當?shù)姆较?,使其本征體二極管與要模擬的二極管功能方向相同(上方)。當VA高于VC時,電流可以自然地從左向右流過本征二極管。當電流沿該方向流動時,控制電路使MOSFET導(dǎo)通,以減小正向壓降。當VC高于VA時,為了防止電流反向(從右到左)流動,控制電路必須將MOSFET快速關(guān)斷。理想二極管的壓降很低,由MOSFET的RDS(ON)和電流大小決定。例如,在1 A負載下,10 mΩ MOSFET的端子會產(chǎn)生1 A × 10 mΩ = 10 mV的壓降,而常規(guī)二極管的典型壓降為600 mV。理想二極管的功耗為1 A2 × 10 mΩ = 10 mW,明顯低于常規(guī)二極管的1 A × 600 mV = 600 mW(典型值)。
圖1.二極管和理想二極管
得益于MOSFET技術(shù)的進步,現(xiàn)在出現(xiàn)了低RDS(ON)的MOSFET。如果在理想二極管解決方案中添加背靠背MOSFET,雖然會使壓降略微增加,但也會帶來許多系統(tǒng)控制功能。圖2顯示了此電路概念。
圖2.具有背靠背MOSFET的理想二極管
原有的Q1可以控制和阻斷從VB流向VA的反向電流。添加的MOSFET Q2可以控制和阻斷從VA流向VB的正向電流。
此解決方案通過導(dǎo)通/關(guān)斷一個或兩個MOSFET,或者限制任一方向的電流流過,可實現(xiàn)全面的系統(tǒng)控制。
理想二極管應(yīng)用實例及主要規(guī)格
理想二極管有許多應(yīng)用。以工業(yè)UPS備用電源系統(tǒng)(圖3)為例。該系統(tǒng)使用24 V主電源。此電源的工作范圍為19.2 VDC至30 VDC,瞬態(tài)電壓可高達60 V。將24 V電池用作備用電源。為確保備用電源充分可用,在正常運行期間(當電池處于待機狀態(tài)時),電池充滿至24 V。當主電源中斷時,電池提供備用電源,從24 V放電至19.2 V以下,直至系統(tǒng)不再運行,或者直至主電源恢復(fù),以較早出現(xiàn)的情形為準。這里需要一個理想二極管電路來提供ORing功能,用于在系統(tǒng)電源和備用電池之間切換。除了ORing功能,該系統(tǒng)還需要過壓、欠壓、熱插拔和eFuse保護,以防范常見的系統(tǒng)故障,增強系統(tǒng)魯棒性。
圖3.工業(yè)UPS備用電源系統(tǒng)
ORing與源選擇器
圖4展示了電源ORing概念。為簡單起見,這里使用二極管符號代替理想二極管電路。在這種簡單的ORing配置中,電壓較高的電源占主導(dǎo)地位并為負載供電,另一個電源處于待機狀態(tài)。如果兩個電源具有不同的電壓值,該解決方案會很有效。當兩個電壓彼此接近時,或者當存在電壓波動而導(dǎo)致電壓值交叉時,電源可能會來回切換。
圖4.輸入電源ORing
在這個用例中,簡單的ORing功能是不夠的,原因有二。首先,電池電壓與系統(tǒng)標稱電壓24 V差不多。兩個電源可能會來回切換,這是我們不希望看到的。源阻抗和負載電流的影響進一步放大了這個問題。例如,當VS為負載供電時,負載電流會在VS源阻抗兩端產(chǎn)生壓降,使其端電壓降至略低于電池端電壓(當前空載)的水平。電池隨即接通,現(xiàn)在承載負載電流,這同樣會在電池阻抗兩端產(chǎn)生壓降,導(dǎo)致電池端電壓下降。同時,在無負載情況下,主電源端電壓升高,使得VS試圖接管。在這種情況下,就會在兩個電源之間持續(xù)振蕩直到兩個電壓彼此偏離為止。
其次,24 V系統(tǒng)電源的電壓范圍為19.2 VDC(最小值)至30 VDC(最大值),峰值電壓瞬態(tài)可高達60 V。備用電池電壓充電至24 VDC,當主電源電壓下降到電池電壓以下但仍在其工作范圍內(nèi)時,將由電池供電。這也是我們不希望看到的,因為電池會放電至非理想備用電壓。每當系統(tǒng)電壓低于24 V且高于其最小工作范圍時,系統(tǒng)便可能會嘗試同時對電池進行充電和放電。源選擇器在這種情況下很有用。圖5顯示了使用具有背靠背MOSFET的理想二極管的源選擇器概念。通過背靠背MOSFET,控制器可以完全切斷兩個方向的電流路徑,就像機械開關(guān)斷開一樣。圖6是具有背靠背MOSFET的理想二極管的符號表示。此符號在圖5中表示可實現(xiàn)源選擇器功能。在此配置中,VS設(shè)置為高優(yōu)先級。VB關(guān)斷,只有在VS低于其工作電壓范圍時才導(dǎo)通。
圖5.輸入源選擇器
圖6.具有背靠背MOSFET的理想二極管的符號表示
圖7顯示了電池處于待機狀態(tài)和備用期間的電源選擇器操作。
圖7.輸入源選擇器操作
其他重要系統(tǒng)保護要求
雖然圖6所示是一個閉合或斷開的機械開關(guān),但請注意,借助適當?shù)碾娏鳈z測電路,控制器也可以調(diào)節(jié)電流。浪涌限制(熱插拔)、過載/短路保護(eFuse)和欠壓/過壓(UV/OV)等重要功能,均可利用已有的相同功率MOSFET來實現(xiàn)。
熱插拔
如圖3所示,當電路板插入背板(主系統(tǒng)電源和備用電池所在的板)時,系統(tǒng)板需要熱插拔功能來限制給輸入電容C充電時的浪涌電流。這種熱插拔功能通過檢測和控制流過圖2中Q2的電流來實現(xiàn)。
eFuse
此功能可保護系統(tǒng)免受過流或短路情況的影響。使用圖2中相同的Q2,可監(jiān)測、限制和關(guān)斷流經(jīng)Q2的電流。eFuse應(yīng)用中的限流閾值精度對于優(yōu)化系統(tǒng)功耗預(yù)算非常重要。
UV/OV
控制器持續(xù)監(jiān)測電源電壓。欠壓保護(UVLO)使Q2(圖2)保持安全關(guān)斷狀態(tài),直至電源電壓上升到其最低工作電平(本例中為19.2 V)以上。當輸入瞬態(tài)電壓超過設(shè)定的最大電平(本例中選擇電壓值>30 V)時,過壓保護(OV)功能就會將Q2關(guān)斷。
重要的理想二極管電路規(guī)格及其對系統(tǒng)性能的影響
我們回到理想二極管,研究其用于ORing或源選擇器功能時的一些關(guān)鍵規(guī)格。
反向電流響應(yīng)時間
參考圖2,這是Q1在電壓VA和VB反轉(zhuǎn)并使VB大于VA之后關(guān)斷的時間。此反向電流響應(yīng)時間tR必須很小(100 ns),以防反向電流從VB流回VA。在該系統(tǒng)中,當主導(dǎo)電源VS(在驅(qū)動負載時)關(guān)斷、瞬變至較低電壓或短路時,電壓可能反向。在這種情況下,tR防止反向電流從板電容C或從備用電池流回VS,或者盡可能減小反向電流。
過壓情況后的恢復(fù)
在沒有備用電池的系統(tǒng)中(圖8),電容C提供備用電源,通常稱其為保持電容。在這種配置中,VS上的瞬態(tài)過壓條件會觸發(fā)Q2(圖8)關(guān)斷。電容提供必要的電力以保持系統(tǒng)運行,同時其電壓因放電而下降。當VS回到正常工作范圍時,Q2重新導(dǎo)通。Q2重新導(dǎo)通的時間tON必須很短,使電容壓降盡可能低。圖9顯示了一個相對比較結(jié)果,在保持電容量相同的情況下,一半tON可將壓降降低一半。
圖8.具有保持電容的系統(tǒng)
圖9.壓降與tON的關(guān)系
我們研究了不同功能,如源選擇器、熱插拔、eFuse、UV/OV和關(guān)鍵規(guī)格,目的是防范常見的系統(tǒng)故障,增強系統(tǒng)魯棒性。使用許多單一功能IC來實現(xiàn)所有這些功能會很麻煩。這種解決方案很復(fù)雜,需要許多元器件。MAX17614是一款全新的高集成度解決方案,通過單個IC即可實現(xiàn)高性能理想二極管功能以及許多其他功能,從而為電源系統(tǒng)提供全面保護。該器件的工作電壓范圍為4.5 V至60 V,提供3 A輸出,具有理想二極管/優(yōu)先電源選擇器功能,以及可調(diào)限流、熱插拔、eFuse、UV和OV保護功能。圖10和圖11分別顯示了MAX17614在ORing應(yīng)用和優(yōu)先電源選擇器應(yīng)用中的簡化原理圖。
圖10.MAX17614的電壓ORing應(yīng)用
圖11.MAX17614的優(yōu)先電源選擇器應(yīng)用,其中VS具有優(yōu)先權(quán)
結(jié)語
背靠背MOSFET解決方案可提供更多系統(tǒng)控制功能,如源選擇、熱插拔、eFuse、UV/OV等。使用單一功能IC的組合來提供完整系統(tǒng)保護的傳統(tǒng)解決方案既復(fù)雜又麻煩。我們研究了UPS備用電源應(yīng)用,并簡要介紹了一種理想二極管解決方案,該解決方案還將其他需要的功能集成到單個IC中,以實現(xiàn)整體系統(tǒng)保護。
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