理想二極管如何使自己的設(shè)計(jì)受益

理想的二極管 IC 有點(diǎn)像那些無法引起任何注意的孩子。這些設(shè)備確實(shí)可以發(fā)揮作用，但工程師們有點(diǎn)忘記了它們。理想的二極管 IC 只是使用 MOSFET 來充當(dāng)二極管，但電壓降和漏電大大降低。

理想二極管有三種主要應(yīng)用。一種是電池供電設(shè)備的簡單反向電壓保護(hù)。這只是從電池到應(yīng)用電路的串聯(lián)二極管。第二種是作為二極管或用于高可靠性冗余電源。最后是相同的二極管 OR 電路，但用于板載可充電電池和壁式充電器之間的選擇電路 - 就像您的手機(jī)和許多便攜式設(shè)備一樣。理想二極管（如MAX16915）也用于電源輸入的過壓保護(hù)。

在提到的所有三個(gè)應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員都可以從標(biāo)準(zhǔn)二極管轉(zhuǎn)向肖特基二極管。這將對(duì)正向電壓降有很大幫助，標(biāo)準(zhǔn)二極管的電壓從 1.1V 下降到 1A 正向電流下的 0.45V 左右。但是，一個(gè)理想的二極管會(huì)在那個(gè)電流下把你帶到 85mV，而且它們的成本并不高。另外，它們要小得多。理想二極管 IC 可降低功耗、減少電壓損失（對(duì)于來自低壓電池的情況很重要），并且將占用更少的 PC 板面積。此外，它們還解決了一個(gè)很大的肖特基問題。肖特基二極管的反向漏電流非常高——1A 器件約為 1mA。這種泄漏尤其對(duì)原電池不利。理想二極管在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的反向漏電流通常小于 1μA。

獲得理想的方法有三種。您可以自己制作，將驅(qū)動(dòng)器 IC 用于外部 FET，或者使用帶有集成 FET 的設(shè)備。驅(qū)動(dòng) FET 并不像您想象的那么容易。驅(qū)動(dòng)電路控制 MOSFET 上的正向壓降以確保電流從一條路徑平穩(wěn)地傳輸?shù)搅硪粭l路徑而不會(huì)發(fā)生振蕩，這一點(diǎn)很重要。如果電源出現(xiàn)故障或短路，快速關(guān)斷可最大限度地減少反向電流瞬變。如果實(shí)施得當(dāng)，理想二極管可以提供前端保護(hù)，防止電池反接情況、過壓瞬變和浪涌電流。使用外部 FET 的理想二極管控制器 IC 可提供高達(dá) 5A 的額定電流和高達(dá) 80V 的額定電壓。

一個(gè)很好的例子

完整理想二極管器件的一個(gè)很好的例子是 Maxim 的MAX40200，它工作在 1.5V 至 5.5V 的電源電壓下，可處理高達(dá) 1A 的電流，采用微型 0.73mm 方形 4 凸點(diǎn) WLP 或 SOT23-5 封裝。它具有熱自我保護(hù)功能，工作溫度范圍為 -40° 至 125°C。禁用時(shí)，MAX40200 可在任一方向阻斷高達(dá) 6V 的電壓。

圖 1：MAX40200 理想二極管電流開關(guān)

圖 1 中的功能圖顯示了內(nèi)部 FET 的獨(dú)特符號(hào)。p 溝道 FET 增加了檢測 MOSFET 漏源電壓的電路，除了驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O外，還保持體二極管反向偏置。

應(yīng)該注意的是，與普通二極管不同，這種“理想二極管”不適合對(duì)交流電進(jìn)行整流。在電源為電感耦合的 60Hz 交流電源的應(yīng)用中，應(yīng)使用傳統(tǒng)二極管作為電路的整流部分。MAX40200 設(shè)計(jì)用于在不同直流電源之間切換的應(yīng)用。該芯片在正向電流高達(dá) 100mA 時(shí)具有約 20mV 的穩(wěn)壓壓降。高于此值，在最大額定正向電流為 1A 時(shí)，正向壓降增加到大約 90mV。這種小的電壓降將提高效率并顯著增加電池運(yùn)行時(shí)間。IC 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)在應(yīng)用筆記“二極管 ORing 應(yīng)用中 MAX40200 的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)行為”中有詳細(xì)說明。以及評(píng)估套件MAX40200EVKIT， 可用。

例如，一個(gè) AAA 電池在約 3V 時(shí)具有 1Ah 容量，可用于兩節(jié)電池。如果肖特基二極管在 1A 時(shí)下降 0.36V，而我們的 MAX40200 僅下降 0.09V，則 0.27V 的差異可節(jié)省 0.27Wh。因此，您的設(shè)備將以 1A 的最大負(fù)載運(yùn)行額外的一刻鐘。

圖 2：便攜式設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)電源選擇電路。

IC 的熱關(guān)斷溫度約為 +154°C，遲滯為 12°C。如果電流超過 ~500mA，則在您的設(shè)計(jì)中必須注意不要超過此溫度。WLP 封裝的熱性能實(shí)際上超過了 SOT 封裝。

另一個(gè)示例 IC

MAX16141理想二極管控制器的工作與我們的第一個(gè)示例大不相同。該芯片提供針對(duì)反向電流、過流、輸入過壓和欠壓以及過溫條件的系統(tǒng)保護(hù)。它將切斷并隔離有故障的輸入電源。該 IC 的 3.5V 至 36V 寬工作電壓范圍和 5μA（典型值）的低關(guān)斷電流使其非常適合汽車應(yīng)用（并且符合汽車標(biāo)準(zhǔn)）。

圖 3：MAX16141理想二極管控制器應(yīng)用。

在圖 3 的電路中，IC 的電荷泵將背靠背外部 nFET 的柵極驅(qū)動(dòng)至高于源極連接 9V。一個(gè)快速作用的比較器在輸入降至低于輸出電壓的 1μs（最大值）內(nèi)阻止反向電流流動(dòng)。RS 和 OUT 之間的外部電流檢測電阻器用于監(jiān)視電流過載。最大電流是可調(diào)的，由您選擇的 FET 決定。OVSET 和 UVSET 輸入為輸入過壓和欠壓事件提供設(shè)定點(diǎn)。MAX16141 采用 4 x 4 x 0.75mm、16 引腳 TQFN 封裝，工作溫度范圍為 -40° 至 125° C。

理想二極管在許多設(shè)計(jì)中都占有一席之地。我認(rèn)為它們可能未被充分利用，因?yàn)樗坪鯖]有人知道將它們放在哪里。它們有時(shí)被歸類為放大器，有時(shí)被歸類為電源管理，有時(shí)被歸類為電路保護(hù)。工程師了解這些設(shè)備是值得的。

審核編輯：郭婷