Оглавление
Здесь будет рассмотрен так называемый «идеальный диод», работающий на основе усовершенствованных МОП-транзисторов во встречном соединении, предназначенный для защиты схем от сбоя питания. Стандартные кремниевые диоды имеют падение напряжения от 0,6 до 0,7 В. Для диодов Шоттки оно составляет 0,3 — 0,5 В. Обычно это не проблема, за исключением сильноточных применений, поскольку это падение напряжения является источником значительных потерь мощности. К счастью, MOSFET-транзисторы могут заменить стандартные кремниевые диоды и обеспечить большие преимущества применения в идеальных диодных схемах, то есть с падением напряжения близким к нулю.
В идеальном диоде используется транзистор с низким сопротивлением в открытом состоянии, обычно типа MOSFET, со схемой управления, обеспечивающей однонаправленный ток.
Расширение этой базовой структуры дополнительным транзистором обеспечивает еще больше функций управления потоками энергии, таких как выбор приоритетного источника, ограничение пускового тока, ограничение максимального тока и другие. Обычно всё это выполнялось различными контроллерами, что делало схему сложной и трудной для сборки. Но теперь есть однокристальное решение, лишенное многих недостатков.
На рисунке показана базовая схема идеального диода, использующего N-канальный силовой МОП-транзистор. Он включен так, что его внутренний диод направлен в том же направлении, что и идеальная функция диода (вверху). Когда напряжение Va выше чем Vc, ток течет слева направо через внутренний диод транзистора. Однако схема управления в этом состоянии включает МОП-транзистор, чтобы уменьшить падение напряжения на диоде до значения близкого к нулю, путем шунтирования его малым сопротивлением. Чтобы предотвратить обратное течение тока (справа налево), схема управления должна отключать МОП-транзистор, когда Vc выше чем Va.
Идеальный диод обеспечивает низкое падение напряжения, определяемое значением R DS(ON) транзистора и током нагрузки. Например, при токе 1 А и R DS(ON) = 10 мОм, падение напряжения на идеальном диоде составляет всего 10 мВ, то есть очень мало по сравнению с типичным 600 мВ падением на обычном диоде. Потери мощности диода для идеального варианта составляют 1 А х 10 мОм = 10 мВт, что также значительно меньше по сравнению с типовым значением 1 А х 600 мВ = 600 мВт в обычном диоде.
Прогресс в технологии транзисторов MOSFET означает, что последующие поколения элементов имеют все более низкие значения R DS(ON). Добавление MOSFET при встречном соединении с идеальным диодом немного увеличивает падение напряжения, но обеспечивает множество функций управления схемой. Рисунок выше иллюстрирует такую концепцию.
В такой схеме Q1 может пропускать и блокировать обратный ток, текущий от Vb к Va, а дополнительный МОП-транзистор Q2 может управлять прямым током от Va к Vb. Такое решение обеспечивает полный контроль над схемой за счет включения/выключения одного или обоих MOSFET-транзисторов и позволяет ограничивать ток, протекающий через них в любом направлении.
Пример использования идеального диода
Идеальный диод используется во многих применениях. Примером может служить источник питания ИБП. В качестве основного источника выступает номинальное напряжение 24 В. Аккумулятор обеспечивает диапазон рабочего напряжения от 19 до 30 В, а при коммутации могут возникать перенапряжения до 60 В. В качестве аварийного источника питания используется аккумулятор напряжением 24 В. При нормальной работе (в режиме ожидания) аккумулятор заряжен полностью — до 24 В. При исчезновении основного источника питания аккумулятор обеспечивает некий запас энергии, разряжаясь от 24 В и до тех пор, пока схема не перестанет работать или пока он перезапускается, восстанавливая сетевое питание.
Для этой функциональности нужна идеальная диодная схема, выполняющая функцию «ИЛИ» для переключения между основным источником питания и аккумулятором. Защита от повышенного и пониженного напряжения, горячая замена и защита от короткого замыкания на eFuse также необходимы для повышения устойчивости схемы к распространенным системным сбоям.
ORing или селектор источника энергии
Далее концепция ORing (сумматора энергии) в блоке питания. Для простоты, вместо полной схемы идеального диода используются обозначения простых диодов.
Источник питания с более высоким напряжением определяет ток и питает нагрузку, в то время как другой остается в режиме ожидания. Это решение работает когда источники питания имеют разное напряжение, что позволяет им переключаться непрерывно, когда два напряжения близки друг к другу или когда возникают колебания, вызывающие пересечение значений.
Простая функция ORing не подходит для использования в этом случае по двум причинам. Во-первых, буферное напряжение аккумулятора соответствует номинальному напряжению схемы 24 В. Два источника часто могут переключаться друг на друга, что нежелательно с точки зрения срока службы аккумулятора. При различных сопротивлениях источников энергии и переменном токе нагрузки эта проблема становится еще более существенной. Например, когда Vs активен, ток нагрузки приводит к падению напряжения на источнике, в том числе немного ниже напряжения на клеммах батареи (в настоящее время без нагрузки). Затем аккумулятор включается и нагружается, что аналогичным образом вызывает падение напряжения на его внутреннем сопротивлении. Между тем, без нагрузки напряжение на клеммах основного источника питания увеличивается, в результате чего источник Vs пытается стать основным поставщиком питания. В этой ситуации колебания напряжения между двумя источниками продолжаются до тех пор, пока оба напряжения не отойдут друг от друга на значительную величину, то есть пока аккумулятор заметно не разрядится.
Во-вторых, диапазон рабочего напряжения питания схемы 24 В составляет от минимум 19 до максимум 30 В, и поскольку буферная батарея заряжается и находится в режиме ожидания при напряжении 24 В, может случиться так что питание от нее будет потребляться при отключении сети. Напряжение будет, но ниже 24 В. Это нежелательно, поскольку аккумулятор разряжается до менее оптимального с точки зрения долговечности резервного напряжения. Схема может попытаться одновременно зарядить и разрядить батарею, если напряжение ниже 24 В и превышает минимальный рабочий диапазон. Вот тут-то и пригодится селектор источника энергии. На рисунке показана концепция такой схемы с использованием идеального диода и полевого МОП-транзистора. Благодаря дренажному соединению контроллер может полностью отключать путь тока в обоих направлениях, обеспечивая работу, аналогичную работе механического выключателя. Благодаря селектору Vb выключается и включается только тогда, когда Vs падает ниже диапазона рабочего напряжения.
На рисунке далее показана работа переключателя энергии при нахождении аккумулятора в режиме ожидания и при питании от аккумулятора.
Хотя на рисунке показан символ механического переключателя, который можно замкнуть или разомкнуть, на самом деле за ним стоит электронная схема. При правильном управлении он также может регулировать значение тока, позволяя ограничивать пусковой ток (при горячей замене), обеспечивая защиту от перегрузки и короткого замыкания (eFuse), а также от слишком низкого напряжения и перенапряжения (UV/OV).
eFuse. Эта функция защищает систему от перегрузки по току или короткого замыкания и может быть реализована с помощью Q2 на рисунке 2, позволяя контролировать, ограничивать и отключать ток, проходящий через него. Точность порога активации eFuse важна для оптимизации баланса мощности. Блокировка пониженного напряжения (UVLO) удерживает Q2 в выключенном состоянии до тех пор, пока входное напряжение не поднимется выше минимального рабочего порога (в данном случае 19 В). Защита от перенапряжения (OV) отключает Q2, когда входное напряжение превышает установленный максимальный уровень (в данном случае >30 В).
Важные параметры идеального диода
Давайте проанализируем критические характеристики идеального диода при работе в качестве селектора источников питания.
Время реакции при обратной поляризации t R. Ссылаясь на рисунок 2, это время, в которое Q1 отключается, когда Vb больше, чем Va. Оно должно быть небольшим (100 нс), чтобы предотвратить протекание обратного тока от клеммы Vb к VA A. Это может произойти когда основной источник питания Vs отключается или происходит короткое замыкание во время нормальной работы. В этой ситуации малое время t R минимизирует период протекания обратного тока от конденсатора C или от батареи к Vs.
Возврат к нормальной работе после перенапряжения. В схемах без буферной батареи питание поддерживается конденсатором С. В такой конфигурации возникновение перенапряжения на Vs выключает Q2. Конденсатор поддерживает работу и при разряде его напряжение падает. Когда Vs возвращается в нормальный диапазон, контроллер снова включает Q2. Время включения tON должно быть коротким, чтобы минимизировать падение напряжения на конденсаторе.
Реализация полной функциональности, то есть выбор источника энергии, горячая замена, eFuse, UV/OV и обеспечение хороших характеристик и устойчивости схемы без использования специализированных полупроводников, является довольно сложным делом. Поэтому стоит обратить внимание на MAX17614 — микросхему, обеспечивающую высокий КПД идеального диода. Работает в диапазоне входного напряжения от 4,5 В до 60 В с током нагрузки до 3 А.
Обеспечивает выбор источника питания с регулируемым ограничением тока, возможность изменения схемы во время работы (горячая замена), eFuse и UV защита. На схемах далее показан MAX17614 в качестве сумматора источника питания и выбора приоритета.
Выводы
МОП-транзисторы при встречном соединении обеспечивают множество функций управления питанием в схемах, таких как выбор источника энергии, замена устройства во время работы (горячая замена), eFuse, защита от перенапряжения и так далее. А по сравнению с обширными традиционными решениями с использованием дискретных элементов, одночиповое приносит множество технических и экономических преимуществ.
