Wykorzystaj zalety diod idealnych ze zintegrowanymi tranzystorami MOSFET

Technologia diod idealnych zapewnia wiele korzyści w zastosowaniach elektronicznych, takie jak mniejsze spadki napięcia, ulepszone sterowanie systemami oraz odporne funkcje zabezpieczające. Projektanci produktów mogą w pełni wykorzystać potencjał tych zaawansowanych rozwiązań w celu stworzenia odpornych i kompaktowych produktów o wyższej sprawności. Jednak dobór diody idealnej do danego zastosowania wymaga znalezienia równowagi pomiędzy wieloma czynnikami, włączając w to parametry elektryczne, zagadnienia termiczne, niezawodność, koszty i zgodność z przepisami.

Tradycyjne diody wykazują spadek napięcia w zakresie od 0,6V do 0,7V, przy czym spadek na diodach Schottky’ego wynosi około 0,3V. Spadki takie mogą w zastosowaniach wysokoprądowych prowadzić do znacznych strat mocy. Dioda idealna (ilustracja 1) wykorzystuje przełącznik mocy o niskiej rezystancji w stanie włączenia, którym zwykle jest tranzystor MOSFET, w celu odzwierciedlenia jednokierunkowego przepływu prądu przez diodę, jednak bez jej wady w postaci strat wynikłych ze spadku napięcia na diodzie.

Ilustracja 1: diagram ilustrujący różnice pomiędzy diodą (u góry) i diodą idealną. (Źródło ilustracji: Analog Devices Inc.)

Przykładowo: spadek napięcia na tranzystorze MOSFET 10mΩ przy obciążeniu 1A wynosi zaledwie 10mV, w porównaniu do typowego spadku 600mV na diodzie standardowej. Mniejsze spadki napięcia oznaczają również znaczne obniżenie strat mocy. Obciążenie 1A na tranzystorze MOSFET 10mΩ powoduje straty mocy 10mW, w porównaniu do 600mW traconych na typowej diodzie.

Dodatkowo, dzięki symetrycznym tranzystorom MOSFET i obwodom sterującym, zintegrowane rozwiązanie diody idealnej oferuje bardziej zaawansowane funkcje, takie jak wybór priorytetu źródła, ograniczenie prądu oraz ograniczanie początkowych prądów rozruchowych, co zwiększa możliwości zarządzania zasilaniem. Tradycyjne rozwiązania wymagały różnych kontrolerów, przez co pełna ochrona układów była skomplikowana i uciążliwa. Jednak dodanie symetrycznych tranzystorów MOSFET do rozwiązania diody idealnej (ilustracja 2) zapewnia pełną kontrolę nad układem, umożliwiając włączanie i wyłączanie jednego lub obydwu tranzystorów MOSFET, a także poprzez ograniczenie prądu.

Ilustracja 2: diagram przedstawiający diodę idealną wykorzystującą symetryczne tranzystory MOSFET urządzenia w celu realizacji zaawansowanych funkcji i sterowania. (Źródło ilustracji: Analog Devices Inc.)

Rozwiązania zintegrowane zapewniają odporną ochronę przed najczęściej występującymi usterkami w układach, skracając przestoje układów. Takie funkcje, jak nastawne wartości progowe blokady pracy przy zbyt niskim napięciu (UVLO) i blokady pracy przy zbyt wysokim napięciu (OVLO), programowane wartości graniczne prądu oraz termiczne zabezpieczenie wyłączające zapewniają działanie układów nawet w najtrudniejszych warunkach. Rozwiązania zintegrowane pozwalają również zminimalizować liczbę wymaganych komponentów i powierzchnię płytki.

Zastąpienie tradycyjnych diod Schottky'ego zintegrowanym rozwiązaniem MOSFET znacznie zmniejsza straty mocy, dzięki czemu idealnie sprawdza się w zasilaczach przemysłowych, systemach z zasilaniem bateryjnym oraz rozwiązaniach redundantnych (OR) zasilania w telekomunikacji i ośrodkach przetwarzania danych. Może ono również zapewnić ochronę przed odwróconą polaryzacją wejścia, zapobiegając uszkodzeniom spowodowanym przypadkową zamianą biegunów.

Wyzwania przy doborze diod idealnych

Zintegrowane rozwiązania diod idealnych są zaprojektowane z myślą o zapewnieniu niezawodnego i skutecznego działania zastosowań.

Jednak projektanci dokonujący wyboru diody idealnej napotykają szereg wyzwań, jak na przykład odprowadzanie ciepła, obsługa prądów, napięcia znamionowe, złożoność integracji, koszty oraz dostępność komponentów:

• Diody idealne obniżają straty mocy, jednak odprowadzanie ciepła nadal pozostaje zagadnieniem krytycznym. Projektanci muszą zapewnić, że dioda będzie w stanie wytrzymać obciążenia termiczne bez pogorszenia parametrów działania. Odpowiednie radiatory i konstrukcje termiczne są niezbędne, aby zapobiec przegrzewaniu.
• Wytrzymałość prądowa diody musi odpowiadać spodziewanym obciążeniom prądowym zastosowania bez przekraczania znamionowych wartości granicznych. Wiąże się to z oceną rezystancji RDS(ON) diody i zapewnieniem, że pozostaje ona w dopuszczalnych granicach w warunkach maksymalnego obciążenia.
• Napięcie znamionowe diody musi być wystarczające, aby wytrzymać maksymalne poziomy napięcia w danym zastosowaniu. Zapewnienie niezawodnego działania wymaga od projektantów wzięcia pod uwagę zarówno spadku napięcia w kierunku przewodzenia, jak i znamionowego napięcia wstecznego.
• Wprawdzie rozwiązania zintegrowane oferują liczne korzyści, jednak mogą również komplikować proces projektowania. Projektanci muszą upewnić się, że wszystkie zintegrowane funkcje, takie jak blokada pracy przy zbyt niskim napięciu (UVLO), blokada pracy przy zbyt wysokim napięciu (OVLO) oraz ograniczenia prądu zostały odpowiednio skonfigurowane, co może wymagać dodatkowego czasu na projektowanie i próby.
• Projektanci muszą zważyć korzyści płynące z integracji w stosunku do dodatkowych kosztów i ustalić, czy dodatkowa funkcjonalność uzasadnia te koszty.
• Projektanci muszą upewnić się, że wybrana dioda jest łatwo dostępna i że nie występują ograniczenia w łańcuchu dostaw, które mogłyby wpływać na harmonogramy produkcji.

Wykorzystanie zalet rozwiązań zintegrowanych

Firma Analog Devices Inc. (ADI) - lider w dziedzinie rozwiązań do zarządzania zasilaniem - oferuje portfolio kontrolerów diody idealnej, które wykorzystują konstrukcje oparte na tranzystorach MOSFET. Zintegrowane rozwiązania tej firmy minimalizują straty energii, poprawiają parametry termiczne i zwiększają niezawodność systemu, dzięki czemu są nieodzowne w zastosowaniach przemysłowych, motoryzacyjnych, telekomunikacyjnych i zasilanych z baterii.

Zintegrowane rozwiązania łączą w sobie funkcjonalność diod idealnych z dodatkowymi możliwościami zabezpieczenia systemów przed nadmiernymi i niewystarczającymi napięciami, obsługą wymiany podczas pracy, oraz zabezpieczeniami bezpieczników elektronicznych eFuse za pomocą jednego układu scalonego. Poprzednio funkcje te realizowane były przez różne kontrolery, co komplikowało realizację pełnych zabezpieczeń systemów.

Kontrolery diody idealnej firmy ADI, na przykład MAX17614 (ilustracja 3), zawierają zaawansowane zabezpieczenie przed odwróconą polaryzacją wejścia, oferują możliwości szybkiego przełączania, wytrzymują wysokie napięcia i umożliwiają bezproblemową realizację układów redundantnych zasilania oraz zapewniają wyższą sprawność energetyczną. Wysoko zintegrowane rozwiązania MAX17614 zapewniają wysokie parametry działania diody idealnej wraz z wieloma innymi funkcjami w jednym układzie scalonym, umożliwiając pełną ochronę systemu zasilania.

Urządzenia MAX17614 oferują blokadę prądu wstecznego 140ns, co pozwala na użycie mniejszych wyjściowych kondensatorów podtrzymujących w zastosowaniach selektorów priorytetowego źródła zasilania, co pozwala zwiększyć ogólną sprawność systemu. Łączą one w sobie funkcje diody idealnej oraz selektora priorytetowego źródła zasilania z nastawnymi wartościami granicznymi prądu, możliwością wymiany podczas pracy, bezpiecznikami elektronicznymi eFuse, a także zabezpieczeniami przed niewystarczającymi (UV) i nadmiernymi napięciami (OV).

Ilustracja 3: urządzenie diody idealnej i selektora źródła zasilania MAX17614 firmy ADI. (Źródło ilustracji: Analog Devices Inc.)

Mniejsze rozmiary rozwiązania

Rozwiązania zintegrowanej diody idealnej minimalizują liczbę wymaganych komponentów i powierzchnię płytki. Na przykład urządzenie MAX17614 z dwoma zintegrowanymi tranzystorami polowymi z kanałem N (NFET) pozwala uzyskać 40% zmniejszenie rozmiarów rozwiązania.

Zintegrowane tranzystory NFET są połączone szeregowo i posiadają niską łączną typową rezystancję RDS(on) równą 130mΩ. Można je wykorzystać do implementacji funkcji diody idealnej, co pozwala na zabezpieczenie przed wejściowym napięciem wstecznym i prądem wstecznym, a także zwiększyć sprawność systemu. Wejściowe zabezpieczenie przed zbyt niskim napięciem (UV) można programować w zakresie od 4,5V do 59V, natomiast zabezpieczenie przed nadmiernym napięciem można niezależnie programować w zakresie od 5,5V do 60V. Dodatkowo urządzenie posiada wewnętrzny domyślny próg narastania blokady pracy przy zbyt niskim napięciu (UVLO) ustawiony na 4,2V (typ).

Kompaktowość urządzeń MAX17614 jest szczególnie korzystna w zastosowaniach, w których przestrzeń jest na wagę złota. Dzięki krótkiemu czasowi odpowiedzi, wysokim napięciom wytrzymywanym i minimalnym stratom mocy, są one chętnie stosowane w systemach energii słonecznej, rozwiązaniach USB-C Power Delivery, automatyce przemysłowej i sprzęcie medycznym, gdzie skuteczne zarządzanie zasilaniem i niezawodność mają znaczenie krytyczne.

W porównaniu z dyskretnymi tranzystorami MOSFET, zintegrowane tranzystory NFET są zoptymalizowane pod kątem odprowadzania ciepła, co zmniejsza potrzebę stosowania dodatkowych komponentów chłodzących. Umożliwiają one również szybkie przełączanie między źródłami zasilania w zastosowaniach zasilania redundantnego (OR), używanych w telekomunikacji i ośrodkach przetwarzania danych. Tranzystory NFET zapewniają również zabezpieczenie przed odwróconą polaryzacją wejścia, zapobiegając uszkodzeniom spowodowanym nieprawidłowymi podłączeniami napięcia i prądami wstecznymi.

Zintegrowane tranzystory NFET pozwalają na uproszczenie wykazów materiałów (BOM) i układów płytek drukowanych, ponieważ projektanci nie muszą dobierać ani nabywać zewnętrznych tranzystorów MOSFET. Mniejsza liczba komponentów pozwala tworzyć mniejsze i bardziej kompaktowe konstrukcje.

Firma ADI oferuje również zestawy ewaluacyjne MAX17614EVKIT, które pozwalają projektantom na testowanie i integrację kontrolerów diody idealnej MAX17614 we własnych rozwiązaniach zarządzania zasilaniem. Wspomniane płytki ewaluacyjne stanowią platformę do oceny sprawności, charakterystyki przełączania oraz funkcji zabezpieczających zintegrowanych diod idealnych bazujących na tranzystorach NFET.

Zestawy ewaluacyjne umożliwiają prototypowanie wydajnych rozwiązań torów zasilania do takich zastosowań, jak zasilacze przemysłowe, systemy zarządzania bateriami oraz systemy zasilania redundantnego (OR) w zastosowaniach telekomunikacyjnych i serwerowych. Zestawy pozwalają na analizę charakterystyk napięciowych i prądowych w różnych warunkach obciążenia w celu zapewnienia optymalnego doboru komponentów i układu projektu. Dzięki temu projektanci mogą sprawdzić parametry działania obwodu przed przystąpieniem do pełnoskalowego projektowania płytek drukowanych.

Podsumowanie

Technologia diod idealnych oferuje wysoką sprawność, niskostratne sterowanie torem zasilania, obniżenie strat mocy, minimalizację spadku napięcia oraz poprawę parametrów termicznych w różnych zastosowaniach. Zwiększając sprawność energetyczną, zmniejszając wytwarzanie ciepła i eliminując potrzebę stosowania dużych radiatorów, diody idealne poprawiają niezawodność systemów, jednocześnie upraszczając projektowanie płytek drukowanych. Urządzenia MAX17614 i towarzyszące im płytki ewaluacyjne firmy ADI umożliwiają projektantom tworzenie mniejszych, bardziej wydajnych i wysoce odpornych rozwiązań zasilania w szerokim zakresie zastosowań.

Źródło: Wykorzystaj zalety diod idealnych ze zintegrowanymi tranzystorami MOSFET

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.