集成理想二極管、源選擇器和eFuse有助于增強系統(tǒng)魯棒性

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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)?shù)姆较颍蛊浔菊黧w二極管與要模擬的二極管功能方向相同（上方）。當(dāng)VA高于VC時，電流可以自然地從左向右流過本征二極管。當(dāng)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(dāng)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(dāng)電池處于待機狀態(tài)時），電池充滿至24 V。當(dāng)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(zhǔn)。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(dāng)兩個電壓彼此接近時，或者當(dāng)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(biāo)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)?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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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。