Dra nytta av ideala dioder med integrerade MOSFET:ar

Teknik med ideala dioder har många fördelar i elektroniska tillämpningar, bland annat minskat spänningsfall, förbättrad systemstyrning och stabila skyddsfunktioner. Produktutvecklare kan dra nytta av den fulla potentialen i dessa avancerade lösningar för att skapa effektivare, mer kompakta och robusta produkter. Men för att välja rätt diod i en viss tillämpning måste man hitta en balans mellan flera olika faktorer, bland annat elektrisk prestanda, termiska överväganden, tillförlitlighet, kostnad och överensstämmelse.

Traditionella dioder har ett spänningsfall på mellan 0,6 och 0,7 V, medan Schottky-dioder har ett spänningsfall på cirka 0,3 V. I tillämpningar med hög strömstyrka kan dessa spänningsfall leda till betydande effektförluster. En ideal diod (figur 1) använder en strömbrytare med låg på-resistans, vanligtvis en MOSFET, för att efterlikna en diods enkelriktade strömflöde, men utan diodens spänningsförlust.

Figur 1: Diagrammet illustrerar skillnaderna mellan en krets med en diod (överst) och en krets med en ideal diod. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

En MOSFET på 10 mΩ med en belastning på 1 A har t.ex. bara ett spänningsfall på 10 mV jämfört med det typiska spänningsfallet på 600 mV över en standarddiod. Det minskade spänningsfallet leder även till en betydligt lägre effektförbrukning. En belastning på 1 A över en MOSFET på 10 mΩ avger 10 mW, jämfört med de 600 mW som avges av en vanlig diod.

Med ytterligare en hopkopplad MOSFET och styrkretsar kan en integrerad lösning med ideala dioder ge mer avancerade funktioner, inklusive prioriterat val av källa, strömbegränsning och begränsning av strömrusning, vilket ger en mer sofistikerad strömhantering. Traditionellt har detta krävt olika styrenheter, vilket har gjort det komplicerat och besvärligt att åstadkomma ett fullständigt systemskydd, men genom att lägga till hopkopplade MOSFET:ar till en lösning med en ideal diod (figur 2) får man en total styrning av systemet genom att kunna slå av/på den ena eller båda MOSFET:arna, eller genom att begränsa strömmen.

Figur 2: Diagram över en lösning med en ideal diod som använder hopkopplade MOSFET:ar för avancerad funktion och styrning. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Integrerade lösningar har ett stabilt skydd mot vanliga systemfel och minskar därmed systemens stilleståndstid. Funktioner som justerbara gränsvärden för UVLO (underspänningsspärr) och OVLO (överspänningsspärr), programmerbara strömbegränsningar och termiskt avstängningsskydd garanterar att systemen fungerar även vid svåra förhållanden. Integrerade lösningar kan även bidra till att minimera mängden komponenter och det utrymme på kretskortet som krävs.

Genom att ersätta traditionella Schottky-dioder med en MOSFET-integrerad lösning minskas effektförlusten avsevärt, vilket gör den perfekt i industriella nätaggregat, batteridrivna system och redundant kraftöverföring i tillämpningar för telekommunikaton och datacenter. Den kan även skydda mot omvänd inspänning, vilket förhindrar skador från oavsiktligt felvända poler.

Utmaningar vid val av en ideal diod

Integrerade lösningar med ideala dioder är utformade för att garantera en tillförlitlig och effektiv drift i tillämpningar.

Men konstruktörer som försöker välja en ideal diod ställs inför en rad utmaningar, bland annat när det gäller värmehantering, strömhantering, märkspänning, integrationskomplexitet, kostnad och komponenttillgänglighet:

• Även om ideala dioder sänker effektförlusten är värmehantering fortfarande en viktig faktor. Konstruktörer måste se till att dioden klarar den termiska belastningen utan försämrad prestanda. En korrekt kylfläns och termisk konstruktion är avgörande för att förhindra överhettning.
• Diodens strömhanteringsförmåga måste kunna hantera tillämpningens förväntade strömlast utan att överskrida de nominella gränserna. Det innebär att diodens RDS_(ON) behöver utvärderas, så att den ligger inom godtagbara gränsvärden vid maximala belastningsförhållanden.
• Diodens märkspänning måste vara tillräcklig för att hantera tillämpningens maximala spänningsnivåer. Konstruktörer måste ta hänsyn till både spänningsfallet framåt och märkspänningen bakåt för att garantera tillförlitlig drift.
• Även om integrerade lösningar har många fördelar kan de även medföra komplexitet i konstruktionsprocessen. Konstruktörer måste se till att alla integrerade funktioner, som t.ex. UVLO, OVLO och strömbegränsningar, konfigureras på rätt sätt, vilket kan kräva extra konstruktions- och testtid.
• Konstruktörer måste väga integrationens fördelar mot den extra kostnaden och avgöra om den extra funktionaliteten motiverar utgiften.
• Konstruktörer måste försäkra sig om att den valda dioden är lättillgänglig och att det inte finns några begränsningar i leveranskedjan som kan påverka produktionsschemat.

Dra nytta av integrerade lösningar

Analog Devices, Inc. (ADI), en ledande leverantör av strömförsörjningslösningar, har ett sortiment av styrenheten med ideala dioder som använder MOSFET-baserade konstruktioner. Företagets integrerade lösningar minimerar effektförlusten, förbättrar den termiska prestandan och ökar systemets tillförlitlighet, vilket gör dem viktiga i tillämpningar inom industri, fordon, telekommunikation och batteridrivna enheter.

Integrerade lösningar kombinerar funktionen hos en ideal diod med ytterligare funktioner för systemskydd som t.ex. överspänning, underspänning, byte under drift och e-säkringar, allt i en enda krets. Tidigare var dessa funktioner utspridda på olika styrenheter, vilket försvårade realiseringen av ett fullständigt systemskydd.

Styrenheter med ideal diod från ADI, som exempelvis MAX17614 (figur 3), har avancerat skydd mot omvänd inspänning, snabb switchningskapacitet och hantering av hög spänning, vilket möjliggör sömlös kraftredundans och förbättrad energieffektivitet. MAX17614 är en högintegrerad lösning som tillhandahåller en ideal diod med hög prestanda och flera andra funktioner i en enda integrerad krets för komplett skydd ett kraftsystem.

MAX17614 har en blockeringstid för omvänd ström på 140 ns, vilket gör det möjligt att använda mindre kondensatorer för bibehållande av utspänning i tillämpningar med prioriterat val av strömkälla, vilket kan förbättra systemets totala verkningsgrad. Den kombinerar funktioner för val av ideal diod/prioriterad strömkälla med justerbara strömbegränsningar, byte under drift, e-säkring samt under- (UV) och överspänningsskydd (OV).

Figur 3: Enheten MAX17614 från Analog Devices för val av ideal diod/strömkälla. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Mindre storlek på lösningen

Integrerade lösningar minimerar mängden komponenter och det utrymme på kretskortet som krävs. MAX17614, med två integrerade NFET:ar med N-kanal, möjliggör t.ex. en minskning av lösningens storlek på upp till 40 %.

De integrerade NFET:arna är seriekopplade med en låg kumulativ typisk RDS_(on) på 130 mΩ. De kan användas för att implementera en funktion med ideal diod som skyddar mot omvänd inspänning och omvänd ström med förbättrad verkningsgrad i systemet. Underspänningsskyddet för inspänningen kan programmeras mellan 4,5 och 59 V, medan överspänningsskyddet kan programmeras oberoende mellan 5,5 och 60 V. Dessutom har enheten ett internt standardgränsvärde för underspänningsspärrens stigning som är inställd på 4,2 V (typ.).

Den lilla storleken hos MAX17614 är särskilt fördelaktig i tillämpningar där utrymmet är begränsat. Med snabb svarstid, hög spänningskapacitet och minimal strömförlust har den visat sig vara populär för användning i solenergisystem, strömförsörjningar med USB-C, industriell automation och medicinteknisk utrustning, där en effektiv strömhantering och tillförlitlighet är avgörande.

Jämfört med diskreta MOSFET:ar är integrerade NFET:ar optimerade för termisk hantering, vilket minskar behovet av ytterligare kylkomponenter. De möjliggör även en snabb växling mellan strömkällor i tillämpningar med redundant strömförsörjning som används för telekommunikations- och datacenterlösningar. NFET:arna skyddar även mot omvänd inspänning, vilket förhindrar skador vid felaktiga spänningsanslutningar eller återmatning.

Med de integrerade NFET:arna förenklas materiallistan (BOM) och kretskortslayouten eftersom konstruktörerna inte behöver välja externa MOSFET:ar. De kan dra nytta av en minskat mängd komponenter för att skapa mindre och mer kompakta konstruktioner.

ADI erbjuder även utvärderingssatsen MAX17614EVKIT för konstruktörer som vill testa och integrera den styrenheten MAX17614 med ideal diod i sina strömhanteringslösningar. Utvärderingskortet tillhandahåller en plattform för att bedöma effektiviteten, switchningsbeteendet och skyddsfunktionerna hos den integrerade NFET-baserade ideala dioden.

Utvärderingssatsen möjliggör prototypframtagning av effektiva strömförsörjningslösningar i tillämpningar som industriella nätaggregat, batterihanteringssystem och redundant kraftöverföring för telekommunikation och servrar. Satsen möjliggör analys av spännings- och strömbeteende vid olika belastningsförhållanden för att säkerställa ett optimalt val av komponenter och konstruktionslayout, så att konstruktörer kan validera kretsens prestanda innan de går vidare till fullskalig utveckling av kretskort.

Sammanfattning

Tekniken med en ideal diod ger en högeffektiv styrning av strömvägarna med låga förluster, inklusive minskad effektavledning, minimerat spänningsfall och förbättrad termisk prestanda. Genom att förbättra energieffektiviteten, minska värmeutvecklingen och eliminera behovet av skrymmande kylflänsar, förbättrar ideala dioder systemets tillförlitlighet samtidigt som kretskortets konstruktion förenklas. MAX17614 från ADI och dess tillhörande utvärderingskort gör det möjligt för konstruktörer att skapa mindre, effektivare och väldigt stabila kraftlösningar för en stor mängd tillämpningar.