Spadek napięcia na przewodzących tradycyjnych diodach półprzewodnikowych mieści się zakresie od 0,6 do 0,7 V, a w diodach Schottky’ego wynosi on około 0,3 V. Przy o dużym natężeniu prądu spadki te mogą prowadzić do znacznych strat mocy. Dioda idealna (rys. 1) to alternatywne rozwiązanie, które wykorzystuje tranzystor przełączający o niskiej rezystancji w stanie włączenia, zwykle MOSFET, który razem z układem sterującym naśladuje jednokierunkowy przepływu prądu przez diodę, ale bez dużego spadku napięcia w czasie przewodzenia.
Typowy tranzystor MOSFET z RDS(ON)= 10 mΩ przy obciążeniu prądem 1 A ma spadek napięcia wynoszący zaledwie 10 mV, co jest wartością wielokrotnie mniejszą w porównaniu do typowej wartości 600 mV dla standardowej diody. Zmniejszenie spadku napięcia przekłada się również na znacznie niższą traconą moc. Przy 1 A w tranzystorze MOSFET z RDS(ON)=10 mΩ tracimy tylko 10 mW w porównaniu do 600 mW w zwykłej diodzie. We współczesnej elektronice jest to kolosalna różnica.
Dodając do układu diody idealnej jeszcze jeden dodatkowy MOSFET i obwody sterujące, otrzymuje się bardziej zaawansowaną funkcjonalność, która umożliwia wybór źródła priorytetowego, ma tryb ograniczania prądu maksymalnego i prądu rozruchowego, co umożliwia lepsze zarządzanie energią. Realizacja takiego układu w formie dyskretnej wymagała użycia różnych kontrolerów, co czyniło realizację zaawansowanej ochrony systemu skomplikowaną i drogą. Dodanie jeszcze jednego tranzystora MOSFET do układu diody idealnej (rys. 2) pozwala zatem na pełną kontrolę przepływu energii oraz umożliwia włączanie/wyłączanie jednego lub obu tranzystorów MOSFET oraz na ograniczanie wartości prądu.
Takie zintegrowane rozwiązania zapewniają pełną ochronę systemu przed typowymi awariami i redukują czas ewentualnych przestojów urządzeń. Pozwalają na ustawienie progów blokad podnapięciowej (UVLO) i przepięciowej (OVLO), realizują programowalne limity prądu i mają wbudowane zabezpieczenie termiczne. Zintegrowane rozwiązania diody idealnej mogą również pomóc zminimalizować liczbę wymaganych komponentów i zajętą przestrzeń na płytce drukowanej.
Zastąpienie diod Schottky’ego rozwiązaniem diody idealnej bazującej na tranzystorze MOSFET znacznie zmniejsza straty energii, dzięki czemu taki element nadaje się do pracy w zasilaczach przemysłowych, systemach elektronicznych zasilanych z baterii, w tym w układach redundantnego OR-ingu zasilania w aplikacjach telekomunikacyjnych i centrach danych. Dioda idealna może również zapewnić ochronę przed omyłkową odwrotną polaryzacją, zapobiegając uszkodzeniom podczas eksploatacji ładowarek.
Rozważania projektowe przy wyborze diody idealnej
Dostępne na rynku rozwiązania scalone diod idealnych są zaprojektowane tak, aby zapewnić niezawodną i wydajną pracę tego elementu w typowych zastosowaniach. Niemniej projektanci próbujący wybrać konkretny produkt stają przed koniecznością podjęcia decyzji w zakresie warunków termicznych, zakresu prądu, napięcia znamionowego, złożoności, kosztu i dostępności takich komponentów. Znaczenie analizy parametrów rośnie, gdy aplikacja ma charakter specjalistyczny.
Chociaż diody idealne znacząco mniej rozpraszają ciepła, zarządzanie termiczne cały czas pozostaje kluczowym czynnikiem z uwagi na ich małe rozmiary. Projektanci muszą upewnić się, że wybrana dioda poradzi sobie z rozproszeniem wydzielającego się ciepła przy maksymalnym obciążeniu bez negatywnego wpływu na wydajność. W innym przypadku powstaje ryzyko przegrzania lub niekontrolowanego wyłączenia się systemu na skutek aktywacji zabezpieczenia termicznego.
Maksymalna obciążalność prądowa diody musi być na tyle duża, aby element ten poradził sobie z chwilowymi przetężeniami bez przekraczania wartości znamionowych. Wiąże się to z oceną czy wartość RDS(ON) tranzystora zawartego w diodzie jest na tyle niewielka, że nawet podczas stanu nieustalonego element ten pozostanie w zakresie specyfikacji.
Napięcie znamionowe diody musi być wystarczające wysokie. Musi ono być większe niż maksymalne poziomy napięcia w aplikacji przy uwzględnieniu spadków napięcia w stanie przewodzenia, jak i napięć wstecznych, po to, aby zapewnić niezawodną pracę.
Scalone rozwiązania diod mają wiele funkcji dodatkowych i należy upewnić się, że w urządzeniu zostaną one wykorzystane. Chodzi tutaj o blokady UVLO, OVLO, ograniczniki prądu i podobne. Muszą one podczas projektowania zostać odpowiednio skonfigurowane, co może wymagać dodatkowego zaangażowania zespołu w czasie projektowania i testowania aplikacji.
Projektanci muszą ponadto rozważyć korzyści wynikające z użycia diod zintegrowanych w postaci jednego chipa w kontrze do rozwiązania z elementów dyskretnych pod względem miejsca i kosztów i zbadać, czy dodatkowa funkcjonalność uzasadnia wydatek.
Na koniec warto sprawdzić, czy wybrana dioda jest bez problemu dostępna na rynku i że nie ma ograniczeń łańcucha dostaw, które mogłyby wpłynąć na harmonogramy produkcji.
Oferta układów scalonych
Firma Analog Devices oferuje serię kontrolerów diod idealnych bazujące na MOSFET-ach. Takie rozwiązania minimalizują straty mocy, poprawiają wydajność cieplną systemu i zwiększają niezawodność, co czyni je użytecznymi w zastosowaniach przemysłowych, motoryzacyjnych, telekomunikacyjnych i aplikacjach zasilanych z baterii.
Poza podstawową funkcjonalnością diody realizują one dodatkowe funkcje, takie jak ochrona przed przepięciem, za niskim napięciem, niedopięciem oraz hot swap (przełączanie źródła zasilania podczas pracy) i eFuse (elektroniczny bezpiecznik). Wcześniej były one realizowane przez oddzielne kontrolery, co komplikowało realizację.
Kontrolery diody idealnej ADI, takie jak MAX17614 (rys. 3), realizują zaawansowaną ochronę przed odwrotną polaryzacją, zapewniają szybkie przełączanie źródeł energii, obsługują wysokie napięcia i umożliwiając bezproblemową redundancję zasilania i przy zwiększonej sprawności energetycznej. Jest to zintegrowane rozwiązanie, które zapewnia wysokowydajną diodę idealną z kompletem funkcji niezbędnych do ochrony systemu zasilania.
MAX17614 zapewnia blokowanie prądu wstecznego już w ciągu 140 ns, co pozwala na stosowanie kondensatorów o mniejszej pojemności podtrzymujących zasilanie wyjścia w zastosowaniach selektora priorytetowego źródła zasilania, co może zwiększyć ogólną wydajność systemu.
Mniejszy rozmiar
Zintegrowane rozwiązanie diody idealnej w postaci pojedynczego układu scalonego minimalizuje liczbę wymaganych komponentów i wymagane miejsce na płytce. MAX17614 zawierający dwa tranzystory MOSFET N mocy zapewnia redukcję rozmiaru rozwiązania nawet o 40%. Rezystancja w stanie włączenia RDS( ON) obu połączonych szeregowo elementów wynosi 130 mΩ, zabezpieczenie podnapięciowe można ustawić w zakresie 4,5–59 V, a zabezpieczenie nadnapięciowe w zakresie 5,5–60 V. Ustalony wewnętrznie skok regulacji UVLO wynosi 4,2 V (typowo).
Niewielkie rozmiary rozwiązania bazującego na MAX17614 są szczególnie korzystne w zastosowaniach, w których przestrzeń jest na wagę złota. Dzięki szybkiemu czasowi reakcji, możliwości pracy przy wysokim napięciu i minimalnych stratach mocy, układ ten jest szczególnie przydatny w systemach fotowoltaicznych, zasilaczach opartych na USB-C, układach automatyki przemysłowej i sprzęcie medycznym, gdzie efektywne zarządzanie energią i niezawodność mają kluczowe znaczenie.
W porównaniu do realizacji na tranzystorach dyskretnych, zintegrowane MOSFET-y są zoptymalizowane pod kątem cieplnym, co zmniejsza potrzebę stosowania radiatorów. Zapewniają też szybkie przełączanie źródeł zasilania w redundantnych aplikacjach typu OR- ing stosowanych w urządzeniach telekomunikacyjnych i centrach danych. MOSFET-y te realizują również ochronę przed odwrotnym wejściem, zapobiegając uszkodzeniom spowodowanym nieprawidłowym podłączeniem zacisków wyjściowych.
Zintegrowane tranzystory oszczędzają BOM projektu i wymagane miejsce na PCB, a realizacja jest też szybsza, bo projektanci nie muszą wybierać zewnętrznych MOSFET-ów. Mogą wykorzystać zmniejszoną liczbę komponentów, aby tworzyć mniejsze, bardziej kompaktowe projekty.
Firma Analog Devices przygotowała również dla projektantów zestaw ewaluacyjny MAX17614EVKIT, ułatwiający testowanie diody idealnej MAX17614 w aplikacjach zarządzania energią zasilającą. Płytka ewaluacyjna ułatwia ocenę sprawności, procesu przełączania źródeł i funkcji ochronnych zintegrowanej diody idealnej.
Kit umożliwia prototypowanie obwodów zasilania dla zastosowań takich jak przemysłowe zasilacze, systemy zarządzania bateriami i redundantne OR-owanie (sumowanie) zasilania w aplikacjach telekomunikacyjnych i serwerowych. Zestaw umożliwia analizę zachowania napięcia i prądu w różnych warunkach obciążenia, aby wybrać optymalny zestaw komponentów projektu, dzięki czemu projektanci mogą sprawdzić parametry obwodu przed realizacją docelowej PCB.
Podsumowanie
Diody idealne zapewniają małe straty mocy i pozwalają na sterowanie przepływem energii zasilającej w aplikacji przy małym spadku napięcia i dobrych parametrach cieplnych. Poprzez zwiększenie efektywności energetycznej, zmniejszenie wytwarzania ciepła i wyeliminowanie potrzeby stosowania dużych radiatorów, diody idealne poprawiają niezawodność systemu, jednocześnie upraszczając projekt PCB. MAX17614 firmy ADI i towarzysząca mu płytka ewaluacyjna umożliwiają projektantom tworzenie mniejszych, bardziej wydajnych i wysoce wytrzymałych rozwiązań zasilania do wielu aplikacji.
DigiKey
www.digikey.pl
