【導(dǎo)讀】阻斷二極管廣泛用于電源,以解決各種問(wèn)題。在汽車(chē)系統(tǒng)中,串聯(lián)阻斷二極管可防止在更換電池或汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)意外反向連接電池。高可用性系統(tǒng)和電信配電采用阻斷二極管,通過(guò)并聯(lián)電源來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余。二極管還用于防止儲(chǔ)能電容器在需要暫時(shí)保持輸出電壓以克服輸入壓差或噪聲尖峰的情況下放電,或者允許負(fù)載在輸入電源突然失效時(shí)正常斷電。
阻斷二極管廣泛用于電源,以解決各種問(wèn)題。在汽車(chē)系統(tǒng)中,串聯(lián)阻斷二極管可防止在更換電池或汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)意外反向連接電池。高可用性系統(tǒng)和電信配電采用阻斷二極管,通過(guò)并聯(lián)電源來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余。二極管還用于防止儲(chǔ)能電容器在需要暫時(shí)保持輸出電壓以克服輸入壓差或噪聲尖峰的情況下放電,或者允許負(fù)載在輸入電源突然失效時(shí)正常斷電。
雖然阻斷二極管易于理解和應(yīng)用,但其正向壓降會(huì)導(dǎo)致顯著的功耗,使其不適合低電壓和高電流應(yīng)用。在低壓應(yīng)用中,正向壓降成為電路工作范圍的限制因素,即使使用肖特基勢(shì)壘二極管也是如此。串聯(lián)二極管上至少損失了500mV的電源裕量,這在12V汽車(chē)系統(tǒng)中大幅下降,在冷啟動(dòng)期間,電源可能降至低至4V。
由于二極管的工作電壓降最小值為400mV至700mV,因此無(wú)論額定電流如何,對(duì)于表面貼裝應(yīng)用,功耗在1A–2A范圍內(nèi)都會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題。在大于5A的應(yīng)用中,功耗成為一個(gè)主要問(wèn)題,需要精心設(shè)計(jì)的散熱布局或昂貴的散熱器來(lái)保持二極管冷卻。電路設(shè)計(jì)人員需要更好的解決方案。
一種解決方案是用MOSFET開(kāi)關(guān)代替二極管。MOSFET 的連接使其體二極管指向與其所取代的二極管相同的方向,但在正向?qū)ㄆ陂g,MOSFET 導(dǎo)通,使體二極管短路,通過(guò) MOSFET 溝道的低損耗路徑。當(dāng)電流反轉(zhuǎn)時(shí),MOSFET關(guān)斷,體二極管阻斷電流,從而保持二極管行為。正向壓降和功耗降低了10倍。與傳統(tǒng)的p-n或肖特基勢(shì)壘二極管相比,這構(gòu)成了“理想”二極管的基礎(chǔ)。
LTC?4357 和 LTC4359 是理想的二極管控制器,專為在多種電源反向閉斷、ORing 和保持應(yīng)用中驅(qū)動(dòng) N 溝道 MOSFET 而設(shè)計(jì)。RDS(ON) 規(guī)格低至 1mΩ 的 MOSFET 現(xiàn)成,因此理想的二極管可以使用單通器件處理超過(guò) 50A 的電流,同時(shí)保持比任何二極管解決方案好 10 倍的電壓和功率損耗水平。
LTC4357 和 LTC4359 均取代了一個(gè)二極管,但后者具有低至 4V 的更寬工作范圍,其靜態(tài)電流僅為前者的四分之一。LTC4359 的 /SHDN 引腳減小了靜態(tài)電流,并將 LTC4359 解決方案轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)載開(kāi)關(guān),這是 LTC4357 和二極管解決方案所不具備的特性。表 1 重點(diǎn)介紹了 LTC4357 和 LTC4359 的特性。
LTC?4359 是一款低靜態(tài)電流控制器,具有 4V–80V 的寬工作范圍。工作范圍的 4V 端在二極管壓降無(wú)法容忍的低壓應(yīng)用中尤為重要,而 80V 額定值使其能夠在 48V 電信系統(tǒng)和汽車(chē)環(huán)境中工作并承受瞬態(tài)。LTC4359 可保護(hù)下游電路免受低至 ?40V 的反向輸入的影響(當(dāng)電池端子連接錯(cuò)誤時(shí)可見(jiàn))。
使用電池工作時(shí),最小化放電電流在正常運(yùn)行中很重要,并且在負(fù)載關(guān)閉時(shí)變得至關(guān)重要。LTC4359 具有一個(gè) 155μA (典型值)的低靜態(tài)電流,當(dāng)置于停機(jī)模式時(shí),該靜態(tài)電流可進(jìn)一步減小至 14μA。盡管MOSFET在停機(jī)模式中關(guān)斷,但其體二極管仍然可以傳導(dǎo)正向電流。某些應(yīng)用需要能夠打開(kāi)/關(guān)閉負(fù)載或獨(dú)立于電源電壓控制功率輸送。LTC4359 通過(guò)驅(qū)動(dòng)兩個(gè) N 溝道 MOSFET 作為負(fù)載開(kāi)關(guān)來(lái)阻斷正向和反向電流,從而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
部件號(hào) | 工作電壓 | 電源電流 在 12V 時(shí) | IGATE(UP) | 特征 |
LTC4357 | 9V–80V | 650μA | 20μA | 0.5μs 關(guān)斷時(shí)間(采用 2A 柵極) 下拉式 |
LTC4359 | 4V–80V | 155μA | 10μA | 低 IQ關(guān)斷模式,反向 輸入保護(hù)至?40V,控制 單通道或背靠背 MOSFET |
工作原理
LTC4359 控制一個(gè) N 溝道 MOSFET,如圖 1 框圖中的 Q1 所示。MOSFET源極連接到輸入電源,其作用類似于二極管的陽(yáng)極,而漏極是陰極。首次通電時(shí),負(fù)載電流最初流過(guò) MOSFET 的體二極管。LTC4359 檢測(cè)來(lái)自 IN-OUT 的壓降,并驅(qū)動(dòng) MOSFET 接通。內(nèi)部放大器 (柵極放大器) 和電荷泵試圖在 MOSFET 兩端保持 30mV 的壓降。如果負(fù)載電流導(dǎo)致超過(guò)30mV的壓降,則MOSFET完全導(dǎo)通,正向壓降根據(jù)RDS(ON)?我負(fù)荷.
圖1.LTC4359 的框圖
如果負(fù)載電流減小,柵極放大器將 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)得更低,以保持 30mV 的壓降。如果正向電流降低到無(wú)法支持 30mV 的程度,則柵極放大器將驅(qū)動(dòng) MOSFET 關(guān)斷。這可以防止直流反向電流,并允許在冗余電源應(yīng)用中平滑切換而不會(huì)振蕩。
在輸入短路的情況下,電流迅速反轉(zhuǎn),并由輸出電容或其他電源供電。快速下拉比較器(FPD COMP) 通過(guò)測(cè)量 MOSFET 兩端的輸入和輸出之間的壓降來(lái)檢測(cè)反向電流。當(dāng) MOSFET 兩端的電壓超過(guò) ?30mV 時(shí),F(xiàn)PD COMP 比較器通過(guò)在不到 500ns 的時(shí)間內(nèi)將 MOSFET 柵極拉低來(lái)做出響應(yīng)。
SHDN 引腳控制 IC 和外部 MOSFET。將 /SHDN 引腳拉低可關(guān)閉 IC 和外部 MOSFET,同時(shí)將電流減小至僅 14μA。要使IC導(dǎo)通,/SHDN引腳可以保持浮動(dòng)或驅(qū)動(dòng)為高電平。如果懸空,則內(nèi)部 2.6μA 電流源上拉 /SHDN。
優(yōu)于肖特基二極管
基于 MOSFET 的二極管解決方案可降低肖特基二極管的功耗和正向壓降,并且用途更廣,有多種 MOSFET 可供選擇,幾乎可用于任何電壓和電流組合。圖 2 和圖 3 比較了 SBG2040CT 肖特基二極管與 BSC028N06NS MOSFET 的功耗和正向壓降。在 20A 電流下,BSC028N06NS 2.8mΩ MOSFET 的功耗僅為 1W,比 SBG8CT 肖特基二極管節(jié)省 2040W 的功耗。MOSFET大大降低了RDS(ON)?我負(fù)荷= 56mV,而肖特基二極管為450mV,使電路能夠在較低的電壓下工作。
圖2.功耗與負(fù)載電流的關(guān)系
圖3.負(fù)載電流與正向壓降的關(guān)系
12V/20A 汽車(chē)二極管,帶反向輸入保護(hù)
圖4所示為一個(gè)典型的12V、20A應(yīng)用,可以處理?40V的反向輸入。在滿載電流下,正向壓降僅為 56mV,這是由于 MOSFET 的導(dǎo)通電阻低至 2.8mΩ。
圖4.具有反向輸入保護(hù)的12V/20A理想二極管
在輸入短路期間,輸入、源極和輸出引腳可能會(huì)出現(xiàn)潛在的破壞性瞬變。D1和D2通過(guò)將電壓瞬變箝位至?40V以下來(lái)保護(hù)IN和SOURCE。Q1是一款60V BVDSS MOSFET,雪崩額定值為50A,可吸收感性能量,并防止輸入、源出和輸出超過(guò)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防止反向輸入和錯(cuò)誤連接的電池端子看到的電壓。LTC4359 的輸入引腳的額定電壓為 ?40V。為了保持 MOSFET 關(guān)斷,當(dāng)源極引腳相對(duì)于 V 為負(fù)時(shí),內(nèi)部負(fù) COMP 比較器進(jìn)行檢測(cè)黨衛(wèi)軍至少 1.7V 電壓,并下拉 GATE 引腳。當(dāng)MOSFET關(guān)閉時(shí),負(fù)電壓無(wú)法到達(dá)負(fù)載。反向輸入保護(hù)受限于?40V,受R1耗散的影響。
二極管作為負(fù)載開(kāi)關(guān)
LTC4359 可用作一個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)控制向負(fù)載輸送功率。二極管,無(wú)論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)斷了 MOSFET,但其體二極管仍傳導(dǎo)正向電流。
為了阻斷正向電流,增加了一個(gè)額外的MOSFET Q2,如圖5所示。/SHDN 引腳用作打開(kāi)/關(guān)閉負(fù)載開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)。將 /SHDN 拉低關(guān)兩個(gè) MOSFET:Q2 阻斷正向電流,而 Q1 可防止反向電流。MOSFET 體二極管指向相反的方向,從而阻止正向和反向電流流動(dòng)。懸空或驅(qū)動(dòng) /SHDN 高電平可打開(kāi) IC,并在 MOSFET 中實(shí)現(xiàn)二極管行為。在導(dǎo)通期間,可通過(guò)利用柵極電容器 C1 和 LTC4359 的受控柵極電流來(lái)控制 GATE 引腳上的轉(zhuǎn)換速率來(lái)限制浪涌電流。
圖5.28V負(fù)載開(kāi)關(guān)和帶反向輸入保護(hù)的理想二極管
對(duì)于多個(gè)電源,無(wú)論相對(duì)電源電壓如何,復(fù)制圖5都可以選擇有源電源。這與無(wú)源選擇方案形成鮮明對(duì)比,在無(wú)源選擇方案中,嚴(yán)格的二極管行為只是選擇具有最高電壓電源的輸入源。
并聯(lián)電源
多個(gè)LTC4359可用于組合兩個(gè)或多個(gè)電源的輸出以實(shí)現(xiàn)冗余或下垂共享,如圖6所示。對(duì)于冗余電源,輸出電壓最高的電源提供大部分或全部負(fù)載電流。如果在提供負(fù)載電流時(shí)電源輸出短路至地,則電流會(huì)暫時(shí)反轉(zhuǎn),反向流過(guò) MOSFET。LTC4359 檢測(cè)此反向電流并激活快速下拉比較器 (FPD COMP) 并在 500ns 內(nèi)關(guān)斷 MOSFET。
圖6.冗余電源
如果另一個(gè)最初較低的電源在發(fā)生故障時(shí)未提供任何負(fù)載電流,則輸出下降,直到其ORing MOSFET的體二極管導(dǎo)通。同時(shí),LTC4359 以 10μA 電流對(duì) MOSFET 柵極進(jìn)行充電,直到正向壓降減小至 30mV。如果該電源在發(fā)生故障時(shí)共享負(fù)載電流,則其相關(guān)的ORing MOSFET只是更努力地驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極,以保持30mV的壓降。
如果電源輸出電壓和輸出阻抗幾乎相等,則可以實(shí)現(xiàn)壓降共享。30mV 調(diào)節(jié)技術(shù)可確保輸出之間平滑的負(fù)載均分,而不會(huì)發(fā)生振蕩。共享程度是MOSFET R的函數(shù)DS(ON)、電源的輸出阻抗及其初始輸出電壓,由歐姆定律規(guī)定。
擴(kuò)展反向輸入保護(hù)范圍
圖 7 示出了配置為一個(gè) 4359V 理想二極管的 LTC48,可針對(duì)反向輸入電壓提供保護(hù)。添加 R2 以擴(kuò)展 V在–V外范圍至?100VDC,可將正向調(diào)節(jié)降低10mV。在通過(guò)第二個(gè)電源或充電電容將輸出保持在+48V的應(yīng)用中,Q1將阻斷反向的48V輸入電源。在非冗余應(yīng)用中,當(dāng)輸入電源被移除或意外反轉(zhuǎn)時(shí),輸出可能會(huì)降至零,因此成功阻止高達(dá)?100VDC的輸入到達(dá)輸出。
圖7.具有反向輸入保護(hù)的48V理想二極管
R2 是脈沖額定組件,因此 V在–V外超過(guò)?100V的瞬變很容易被容忍。Q1因其250V BVDSS和極低R的組合而被選中DS(ON)20mΩ,但其雪崩額定值適中,為320mJ,最大雪崩電流為47A。如果反向電流超過(guò)MOSFET雪崩電流額定值,則可以增加D6,通過(guò)吸收任何雪崩能量來(lái)保護(hù)Q1,從而限制峰值V在–V外電壓至?150V。超過(guò)此點(diǎn),D6將發(fā)生故障并將瞬態(tài)電流脈沖傳遞到輸出端。
結(jié)論
LTC?4359 理想二極管控制器取代了肖特基二極管,并且還可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載開(kāi)關(guān)。在 1A–2A 或更高的電流下,LTC4359 優(yōu)于肖特基二極管解決方案。憑借其 4V–80V 的寬工作范圍和反向輸入能力,LTC4359 在低電壓應(yīng)用中通過(guò)汽車(chē)?yán)鋯?dòng)保持低正向壓降,并保護(hù)負(fù)載免受電池反向連接的影響。停機(jī)模式進(jìn)一步將本已很低的靜態(tài)電流(155μA)降至 14μA,并可用作負(fù)載開(kāi)關(guān)的開(kāi)/關(guān)控制信號(hào)。LTC4359 非常適合汽車(chē)以及電信和冗余電源應(yīng)用。
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