作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

理想二極管技術(shù)可為電子應(yīng)用帶來(lái)諸多好處，包括降低壓降、增強(qiáng)系統(tǒng)控制和強(qiáng)大的保護(hù)功能。產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可充分利用這些先進(jìn)解決方案的潛力，創(chuàng)造出更高效、更緊湊和更堅(jiān)固耐用的產(chǎn)品。但是，要為應(yīng)用選擇合適的理想二極管，需要在電氣性能、散熱、可靠性、成本和合規(guī)性等多種因素之間找到平衡點(diǎn)。

傳統(tǒng)二極管的壓降在 0.6 V 至 0.7 V 之間，肖特基二極管的壓降約為 0.3 V。在大電流應(yīng)用中，這些壓降會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的功率損耗。理想二極管（圖 1）使用低導(dǎo)通電阻電源開(kāi)關(guān)（通常是 MOSFET）來(lái)模擬二極管的單向電流流動(dòng)特征，但沒(méi)有二極管的壓降損耗。

圖 1：該圖說(shuō)明了二極管（上部）與理想二極管電路之間的區(qū)別。（圖片來(lái)源：Analog Devices, Inc.）

例如，在 1 A 負(fù)載下，10 mΩ MOSFET 的壓降僅為 10 mV，而標(biāo)準(zhǔn)二極管的壓降通常為 600 mV。電壓降的減小也意味著功耗的大幅降低。10 mΩ MOSFET 在 1 A 負(fù)載時(shí)的損耗為 10 mW，而普通二極管的損耗為 600 mW。

通過(guò)增加背靠背 MOSFET 和控制電路，集成式理想二極管解決方案實(shí)現(xiàn)了更先進(jìn)的功能，包括優(yōu)先源選擇、限流和浪涌限制，同時(shí)顯著提升了電源管理的精密程度。傳統(tǒng)上，這需要不同的控制器，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)全面的系統(tǒng)保護(hù)變得復(fù)雜且繁瑣。但是，在理想的二極管解決方案中添加背靠背 MOSFET（圖 2），通過(guò)啟用一個(gè)或兩個(gè) MOSFET 的開(kāi)啟/關(guān)閉功能，或限制電流，就可實(shí)現(xiàn)全面的系統(tǒng)控制。

圖 2：使用背靠背 MOSFET 實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能和控制的理想二極管解決方案。（圖片來(lái)源：Analog Devices, Inc.）

集成式解決方案可針對(duì)常見(jiàn)系統(tǒng)故障提供強(qiáng)大的保護(hù)，從而減少系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間?？烧{(diào)欠壓鎖定 (UVLO) 和過(guò)壓鎖定 (OVLO) 閾值、可編程限流和熱關(guān)斷保護(hù)等功能確保系統(tǒng)即使在惡劣條件下也能保持正常工作。集成解決方案還有助于最大限度地減少所需元器件數(shù)量和電路板空間。

用集成 MOSFET 的解決方案取代傳統(tǒng)肖特基二極管，可顯著降低功耗，使其成為工業(yè)電源、電池供電系統(tǒng)以及電信和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中冗余電源 OR-ing 的理想之選。這種解決方案還能確保反向輸入保護(hù)，防止意外極性反接造成損壞。

選擇理想二極管時(shí)面臨的挑戰(zhàn)

集成理想二極管解決方案旨在確保應(yīng)用的可靠和高效運(yùn)行。

但是，設(shè)計(jì)人員在選擇理想二極管時(shí)會(huì)面臨一系列挑戰(zhàn)，包括熱管理、電流處理、額定電壓、集成復(fù)雜性、成本和元器件供應(yīng)情況：

• 雖然理想二極管能降低功率耗散，但熱管理仍然是一個(gè)重要的考慮因素。設(shè)計(jì)人員必須確保二極管能夠承受熱負(fù)荷而不影響性能。正確的散熱和熱設(shè)計(jì)對(duì)防止過(guò)熱至關(guān)重要。
• 二極管的電流處理能力必須能夠管理應(yīng)用的預(yù)期電流負(fù)載，不會(huì)超出額定限制。這包括評(píng)估二極管的 RDS (ON) ，確保其在最大負(fù)載條件下保持在可接受的范圍內(nèi)。
• 二極管的額定電壓必須足以承受應(yīng)用中的最大電壓水平。設(shè)計(jì)人員需要同時(shí)考慮正向壓降和額定反向電壓，以確?？煽窟\(yùn)行。
• 雖然集成解決方案的優(yōu)勢(shì)眾多，但也會(huì)使設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜化。設(shè)計(jì)人員必須確保所有集成功能（如 UVLO、OVLO 和電流限值）配置合適，這可能需要額外的設(shè)計(jì)和測(cè)試時(shí)間。
• 設(shè)計(jì)人員必須權(quán)衡集成的好處和增加的成本，并確定增加的功能是否值得花費(fèi)。
• 設(shè)計(jì)人員必須確保所選二極管隨時(shí)有貨，不會(huì)出現(xiàn)影響生產(chǎn)計(jì)劃的供應(yīng)鏈問(wèn)題。

發(fā)揮綜合解決方案的優(yōu)勢(shì)

[Analog Devices, Inc. (ADI)] 是電源管理解決方案領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)，其推出的理想二極管控制器產(chǎn)品組合采用了基于 MOSFET 的設(shè)計(jì)方案。該公司的集成解決方案可最大限度地降低功耗、改善散熱性能并提高系統(tǒng)可靠性，是工業(yè)、汽車、電信和電池供電型應(yīng)用的必備之選。

集成解決方案將理想二極管功能與過(guò)壓、欠壓、熱插拔和電子保險(xiǎn)絲 (eFuse) 保護(hù)等附加系統(tǒng)保護(hù)功能整合在一個(gè)集成電路中。以前，這些功能都由不同的控制器提供，使得實(shí)現(xiàn)全面系統(tǒng)保護(hù)變得更加復(fù)雜。

如 [MAX17614]（圖 3）等 ADI 的理想二極管控制器具有先進(jìn)的反向輸入保護(hù)、快速切換能力和高壓處理能力，可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫電源冗余并提高能效。MAX17614 是一款高度集成的解決方案，在單個(gè)集成電路中集成了一個(gè)高性能理想二極管和多種其他功能，可為電源系統(tǒng)提供全面保護(hù)。

MAX17614 提供 140 ns 的反向電流阻斷保護(hù)，因此，可在優(yōu)先電源選擇器應(yīng)用中使用更小的輸出保持電容器，以提高整體系統(tǒng)效率。該器件將理想二極管/優(yōu)先電源選擇器功能與可調(diào)限流、熱插拔、電子保險(xiǎn)絲、欠壓 (UV) 和過(guò)壓 (OV) 保護(hù)功能組合在一起。

圖 3：ADI 的 MAX17614 理想二極管/電源選擇器。（圖片來(lái)源：Analog Devices, Inc.）

更小的解決方案尺寸

集成式理想二極管解決方案最大限度地減少了所需元器件的數(shù)量和電路板空間。例如，MAX17614 集成了兩個(gè) N 溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (NFET)，可將解決方案的尺寸縮小 40%。

集成式 NFET 采用串聯(lián)連接，具有低至 130 mΩ 的累積典型 RDS (on) 。這些器件可用于實(shí)現(xiàn)理想二極管的功能，具備反向輸入電壓和反向電流保護(hù)特性，還能提高系統(tǒng)效率。輸入 UV 保護(hù)可在 4.5 V 至 59 V 之間設(shè)置，而 OV 保護(hù)可在 5.5 V 至 60 V 之間獨(dú)立設(shè)置。此外，該器件的默認(rèn)內(nèi)部 UVLO 上升閾值設(shè)置為 4.2 V（典型值）。

MAX17614 結(jié)構(gòu)緊湊，尤其適合空間有限的應(yīng)用。憑借快速響應(yīng)時(shí)間、高電壓能力和最小功率損耗，該器件在太陽(yáng)能系統(tǒng)、USB-C 電源傳輸、工業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療設(shè)備等對(duì)高效電源管理和可靠性要求極高的領(lǐng)域廣受歡迎。

與分立式 MOSFET 相比，集成式 NFET 優(yōu)化了熱管理，減少了對(duì)額外冷卻元器件的需求。在用于電信和數(shù)據(jù)中心解決方案的冗余電源 OR-ing 應(yīng)用中，這些器件還能實(shí)現(xiàn)電源之間的快速切換。NFET 還提供反向輸入保護(hù)，可防止電壓連接錯(cuò)誤或反向饋電造成損壞。

由于采用了集成式 NFET，設(shè)計(jì)人員無(wú)需尋找、選擇外部 MOSFET，因此簡(jiǎn)化了物料清單 (BOM) 和 PCB 布局。設(shè)計(jì)人員可以利用元器件數(shù)量減少的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出更小、更緊湊的產(chǎn)品。

ADI 還提供 [MAX17614EVKIT]評(píng)估套件，供設(shè)計(jì)人員測(cè)試并將 MAX17614 理想二極管控制器集成到其電源管理解決方案中。該評(píng)估板為評(píng)估基于 NFET 的集成理想二極管的效率、開(kāi)關(guān)特性和保護(hù)功能提供了一個(gè)平臺(tái)。

使用 EVKIT，可為工業(yè)電源、電池管理系統(tǒng)以及電信和服務(wù)器應(yīng)用中的冗余電源 OR-ing 等應(yīng)用進(jìn)行高效電源路徑解決方案的原型開(kāi)發(fā)。該套件可用于分析不同負(fù)載條件下的電壓和電流特性，有助于確保最佳元器件選型和設(shè)計(jì)布局，因此設(shè)計(jì)人員可在進(jìn)行大規(guī)模 PCB 開(kāi)發(fā)之前驗(yàn)證電路性能。

結(jié)語(yǔ)

理想二極管技術(shù)可為各種應(yīng)用提供高效率、低損耗的電源路徑控制，包括降低功率耗散、最大限度地減少壓降和改善散熱性能。理想二極管可提高能效、減少發(fā)熱并消除對(duì)笨重散熱器的需求，不僅能簡(jiǎn)化 PCB 設(shè)計(jì)，還能提高系統(tǒng)可靠性。ADI 的 MAX17614 及其配套評(píng)估板有助于設(shè)計(jì)人員為各種應(yīng)用創(chuàng)建更小、更高效和高穩(wěn)定性的電源解決方案。

審核編輯 黃宇