隔離二極管廣泛地應(yīng)用于電源以解決諸多的問題。在汽車系統(tǒng)中，當(dāng)更換電池或車輛助推起動(dòng)時(shí)，一個(gè)串聯(lián)隔離二極管可提供針對(duì)意外電池反接的保護(hù)作用。高可用性系統(tǒng)和電信配電使用隔離二極管以通過電源的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)冗余。另外，二極管還用于防止儲(chǔ)能電容器在需要進(jìn)行某種短暫的輸出電壓保持以安然度過輸入壓降或噪聲尖峰的場合中放電，或者在輸入電源突發(fā)故障時(shí)使負(fù)載能夠平穩(wěn)地?cái)嚯姟?/p>

雖然隔離二極管容易了解和應(yīng)用，但是其正向壓降會(huì)產(chǎn)生顯著的功耗，因而使得它們?cè)诘碗妷汉透唠娏鲬?yīng)用中均不適合。在低電壓應(yīng)用中，正向電壓降成為了電路工作范圍的一個(gè)限制因素，即使在使用肖特基勢(shì)壘二極管時(shí)也不例外。在一個(gè)串聯(lián)二極管的兩端至少丟失了 500mV 的電源儲(chǔ)備空間，在電源于冷車發(fā)動(dòng)期間會(huì)降到低至 4V 的 12V 汽車系統(tǒng)中，這是一種實(shí)質(zhì)性的下降。

由于二極管工作在一個(gè) 400mV 至 700mV (最小值) 的固定電壓降 (這與額定電流額定無關(guān))，因此對(duì)于表面貼裝型應(yīng)用來說，功耗在 1A 至 2A 范圍內(nèi)就成為一個(gè)問題。在超過 5A 的應(yīng)用中，功耗成為了一個(gè)主要問題，這就要求采用精心細(xì)致的熱布局或成本昂貴的散熱器以保持二極管的低溫運(yùn)作狀態(tài)。電路設(shè)計(jì)師需要更好的解決方案。

一種解決方案是用 MOSFET 開關(guān)替代二極管。通過連接 MOSFET 以使其體二極管與它所替代的二極管指向同一個(gè)方向，但是在正向?qū)щ娖陂g MOSFET 接通，因而通過一個(gè)穿過 MOSFET 溝道的低損耗路徑短接體二極管。當(dāng)電流反向時(shí)，MOSFET 關(guān)斷，體二極管阻止電流的流動(dòng)，從而保持二極管的運(yùn)作方式。正向壓降和功耗的降幅高達(dá) 10 倍。當(dāng)與傳統(tǒng)的 p-n 型或肖特基勢(shì)壘二極管相比時(shí)，這形成了“理想”二極管的基礎(chǔ)。

LTC4357 和 LTC4359 是理想二極管控制器，專為在眾多電源反向隔離、合路 (ORing) 和保持應(yīng)用中驅(qū)動(dòng) N 溝道 MOSFET 而設(shè)計(jì)。R_DS(ON) 規(guī)格低至 1mΩ 的 MOSFET 很容易采購，因此可采用單個(gè)傳輸器件構(gòu)建理想二極管以處理超過 50A 的電流，同時(shí)保持電壓和優(yōu)于任何二極管解決方案達(dá) 10 倍的功耗水平。

LTC4357 和 LTC4359 均取代了一個(gè)二極管，但是后者具有較寬的工作范圍 (最低至 4V)，而且它的靜態(tài)電流是前者的 1/4。LTC4359 的 /SHDN 引腳可減小靜態(tài)電流并使 LTC4359 解決方案變成一個(gè)負(fù)載開關(guān)，這是 LTC4357 和二極管解決方案不具備的一項(xiàng)特性。表 1 重點(diǎn)羅列了 LTC4357 和 LTC4359 的特點(diǎn)。

LTC4359 是一款具有 4V 至 80V 寬工作范圍的低靜態(tài)電流控制器。工作范圍的 4V 端在不能容許二極管壓降的低電壓應(yīng)用中是特別重要的，而 80V 的額定規(guī)格則使其能夠在 48V 電信系統(tǒng)和汽車環(huán)境中運(yùn)行并安全經(jīng)受瞬變。LTC4359 可保護(hù)下游電路免遭低至 –40V 之反向輸入 (當(dāng)電池端子錯(cuò)接時(shí)將出現(xiàn)這種情況) 的損壞。

表 1：理想二極管控制器

當(dāng)采用電池供電工作時(shí)，盡量減小放電電流在正常操作中是重要的，而且在負(fù)載斷開時(shí)變得至關(guān)重要。LTC4359 具有一個(gè)典型值為 155μA 的低靜態(tài)電流，并且當(dāng)器件置于停機(jī)模式時(shí)將進(jìn)一步減小至 14μA。雖然 MOSFET 在停機(jī)模式中是關(guān)斷的，但是其體二極管仍能傳導(dǎo)正向電流。有些應(yīng)用需要擁有接通 / 關(guān)斷某個(gè)負(fù)載或在不受電源電壓影響的情況下控制供電的能力。LTC4359 通過把兩個(gè) N 溝道 MOSFET 作為一個(gè)負(fù)載開關(guān)來驅(qū)動(dòng) (以阻斷正向和反向電流) 完成了這項(xiàng)任務(wù)。

工作原理

LTC4359 控制一個(gè)在圖 1 方框圖中示為 Q1 的 N 溝道 MOSFET。MOSFET 源極連接至輸入電源并充當(dāng)二極管的正極，而 MOSFET 漏極則為二極管的負(fù)極。當(dāng)首次加電時(shí)，負(fù)載電流最初流過 MOSFET 的體二極管。LTC4359 檢測從 IN至 OUT 的電壓降，并把 MOSFET 驅(qū)動(dòng)至導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)部放大器 (GATE AMP) 和充電泵試圖在 MOSFET 的兩端保持 30mV 壓降。如果負(fù)載電流引起超過 30mV 的電壓降，那么 MOSFET 將被驅(qū)動(dòng)至完全導(dǎo)通，而正向壓降按照 R_DS(ON)·I_LOAD 增加。

圖 1：LTC4359 的方框圖

如果負(fù)載電流減小，則 GATE AMP 把 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)至較低的電平以保持 30mV 的壓降。倘若正向電流減小至不能支持 30mV 壓降的水平，則 GATE AMP 把 MOSFET 驅(qū)動(dòng)至關(guān)斷狀態(tài)。這將阻止 DC 反向電流并在冗余電源應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)無振蕩的平滑切換。

如果發(fā)生輸入短路，則電流迅速反向并由輸出電容或另一個(gè)電源供電�？焖傧吕�比較器 (FPD COMP) 通過測量位于 IN 和 OUT 之間的 MOSFET 兩端之壓降來檢測反向電流。當(dāng) MOSFET 兩端的壓降超過 –30mV 時(shí)，F(xiàn)PD COMP 比較器通過在不到 500ns 的時(shí)間里把 MOSFET 柵極拉至低電平做出響應(yīng)。

/SHDN 引腳負(fù)責(zé)控制 IC 和外部 MOSFET。把 /SHDN 引腳拉至低電平將關(guān)斷 IC 和外部 MOSFET，同時(shí)把電流消耗減小至僅 14μA。若需接通 IC，則可把 /SHDN 引腳浮置或驅(qū)動(dòng)至高電平。如果是浮置，則一個(gè)內(nèi)部 2.6μA 電流源上拉 /SHDN 引腳電平。

比肖特基二極管更好

基于 MOSFET 的二極管解決方案減少了功耗和肖特基二極管上的正向電壓降，而且更具通用性，有大量的 MOSFET 可供選擇，適用于幾乎任何電壓和電流組合。

圖 2 和圖 3 比較了 SBG2040CT 肖特基二極管和 BSC028N06NS MOSFET 的功耗及正向電壓降。在 20A 電流條件下，BSC028N06NS 2.8mΩ MOSFET 僅消耗 1W 功率，比 SBG2040CT 肖特基二極管節(jié)省了 8W 功耗。MOSFET 的正向電壓降為 R_DS(ON)·I_LOAD = 56mV，比起肖特基二極管的 450mV 有了極大的減少，從而使電路能在較低的電壓下工作。

圖 2：功耗與負(fù)載電流的關(guān)系曲線

圖 3：負(fù)載電流與正向電壓降的關(guān)系曲線

具反向輸入保護(hù)功能的 12V/20A 汽車二極管

圖 4 示出了一款能處理至 –40V 之反向輸入的典型 12V、20A 應(yīng)用電路。由于 MOSFET 具有 2.8mΩ 的低導(dǎo)通電阻，因此正向壓降在滿負(fù)載電流條件下只有 56mV。

圖 4：具反向輸入保護(hù)功能的 12V/20A 理想二極管

在輸入短路期間，IN、SOURCE 和 OUT 引腳上會(huì)出現(xiàn)具有潛在破壞性的瞬變。D1 和 D2 通過把電壓瞬變箝位至小于 –40V 以保護(hù) IN 和 SOURCE。一個(gè)額定雪崩電流為 50A 的 60V BVDSS MOSFET Q1 負(fù)責(zé)吸收感應(yīng)電能，并防止 IN、SOURCE 和 OUT 超過其絕對(duì)最大額定值。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器等下游電路需要提供針對(duì)反向輸入和錯(cuò)接電池端子所承受之電壓的保護(hù)。LTC4359 的輸入引腳額定在 –40V。為了把 MOSFET 保持在關(guān)斷狀態(tài)，一個(gè)內(nèi)部 NEGATIVE COMP 比較器檢測何時(shí) SOURCE 引腳相對(duì)于 V_SS 為負(fù) (至少在 1.7V)，并在 GATE 引腳上執(zhí)行下拉操作。當(dāng) MOSFET 關(guān)斷時(shí)，將阻止負(fù)電壓到達(dá)負(fù)載。反向輸入保護(hù)被 R1 中的功率耗散限制在大約 –40V。

二極管作為一個(gè)負(fù)載開關(guān)

LTC4359 可用作一個(gè)開關(guān)以控制至負(fù)載的供電。二極管 (不管是肖特基二極管還是圖 4 所示的電路) 始終傳導(dǎo)正向電流。在停機(jī)模式中，LTC4359 關(guān)斷 MOSFET，但是其體二極管仍然傳導(dǎo)正向電流。

為了阻斷正向電流，如圖 5 所示增設(shè)了一個(gè)額外的 MOSFET Q2。/SHDN 引腳起控制信號(hào)的作用以接通 / 關(guān)斷負(fù)載開關(guān)。把 /SHDN 引腳拉至低電平將把兩個(gè) MOSFET 全部關(guān)斷：Q2 隔斷正向電流，而 Q1 則阻止反向電流。MOSFET 體二極管指向相反的方向，從而阻斷了正向和反向電流。把 /SHDN 引腳浮置或驅(qū)動(dòng)至高電平將接通 IC 并在 MOSFET 中啟用二極管的運(yùn)作方式。在接通期間，可通過利用柵極電容器 C1 控制 GATE 引腳上的轉(zhuǎn)換速率以及 LTC4359 的受控柵極電流來限制浪涌電流。

圖 5：28V 負(fù)載開關(guān)和具有反向輸入保護(hù)功能的理想二極管

對(duì)于存在多個(gè)電源的情形，復(fù)制圖 5 所示的電路可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的電源選擇，而不會(huì)受相對(duì)電源電壓的影響。這與被動(dòng)選擇方案是完全不同的，在被動(dòng)選擇方案中，嚴(yán)格的二極管運(yùn)作方式簡單地選擇具有最高電壓的輸入電源。

并聯(lián)電源

可采用多個(gè) LTC4359 以組合兩個(gè)或更多電源的輸出，從而提供冗余或?qū)崿F(xiàn)壓降均分，如圖 6 所示。對(duì)于冗余電源，由具有最高輸出電壓的那個(gè)電源提供大部分或全部負(fù)載電流。如果在提供負(fù)載電流的同時(shí)電源的輸出短接至地，則電流短暫地反向，并通過 MOSFET 回流。LTC4359 檢測到該反向電流并啟動(dòng)快速下拉比較器 (FPD COMP)，在 500ns 的時(shí)間里關(guān)斷 MOSFET。

圖 6：冗余電源

假如另一個(gè)最初較低的電源在發(fā)生故障時(shí)未在提供任何負(fù)載電流，則輸出下降，直到其合路 MOSFET 的體二極管導(dǎo)電為止。同時(shí)，LTC4359 以 10μA 電流給 MOSFET 柵極充電，直到正向壓降減至 30mV 為止。如果該電源在發(fā)生故障時(shí)分擔(dān)負(fù)載電流，那么其相關(guān)的合路 MOSFET 簡單地對(duì) MOSFET 柵極進(jìn)行更強(qiáng)烈的驅(qū)動(dòng)，旨在保持 30mV 的壓降。

如果兩個(gè)電源的輸出電壓和輸出阻抗幾乎相等，則可實(shí)現(xiàn)壓降均分。30mV 調(diào)節(jié)方法可確保在輸出之間實(shí)現(xiàn)平滑的負(fù)載均分，并無振蕩。按照歐姆定律的規(guī)定，均分的程度是 MOSFET R_DS(ON)、電源的輸出阻抗及其初始輸出電壓的一個(gè)函數(shù)。

擴(kuò)展反向輸入保護(hù)范圍

圖 7 示出了 LTC4359 被配置為一個(gè)具有針對(duì)反向輸入電壓之保護(hù)能力的 48V 理想二極管。增設(shè) R2 以把 V_IN–V_OUT 范圍擴(kuò)展至 –100VDC，這具有把正向調(diào)節(jié)點(diǎn)降低 10mV 的作用。在那些由第二個(gè)電源或充電電容器把輸出保持在 +48V 的應(yīng)用中，Q1 將阻隔一個(gè)反向 48V 輸入電源。在非冗余應(yīng)用中，可以預(yù)計(jì)當(dāng)輸入電源被拿掉或意外反接時(shí)輸出將降低至零，從而成功地阻止高達(dá) –100VDC 的輸入到達(dá)輸出端。

圖 7：具有反向輸入保護(hù)功能的 48V 理想二極管

R2 是一個(gè)脈沖額定組件，因此能很容易地耐受超過 –100V 的 V_IN–V_OUT 瞬變。選擇 Q1 的原因是其兼具 250V BV_DSS 和異常低的 20mΩ R_DS(ON)，但是其額定雪崩能量是適中的 320mJ，并具有 47A 的最大雪崩電流。倘若反向電流超過了 MOSFET 的額定雪崩電流，則可增設(shè) D6，以通過吸收任何雪崩能量來保護(hù) Q1，而且這把峰值 V_IN–V_OUT 電壓限制在 –150V。一旦超過這個(gè)點(diǎn)則 D6 將擊穿，并把瞬態(tài)電流脈沖一直傳遞至輸出端。

結(jié)論

LTC4359 理想二極管控制器取代了肖特基二極管，而且還能驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載開關(guān)。在 1A 至 2A 或更大電流條件下，LTC4359 優(yōu)于肖特基二極管解決方案。憑借其 4V 至 80V 的寬工作范圍和反向輸入耐受能力，LTC4359 在低電壓應(yīng)用中保持低的正向壓降 (度過汽車?yán)滠嚢l(fā)動(dòng)的過程)，并保護(hù)負(fù)載免遭電池反接的損壞。停機(jī)模式把已經(jīng)很低的 155μA 靜態(tài)電流進(jìn)一步減小到低至 14μA，并可用作一個(gè)用于負(fù)載開關(guān)的通 / 斷控制信號(hào)。LTC4359 非常適合汽車以及電信和冗余電源應(yīng)用。