二極管控制器適用于汽車和電信電源解決方案

阻斷二極管廣泛用于電源，以解決各種問題。在汽車系統(tǒng)中，串聯(lián)阻斷二極管可防止在更換電池或汽車啟動(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，通過并聯(lián)電源來實(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)問題。在大于5A的應(yīng)用中，功耗成為一個(gè)主要問題，需要精心設(shè)計(jì)的散熱布局或昂貴的散熱器來保持二極管冷卻。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 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 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)?a target="_blank">負(fù)載開關(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）。

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/關(guān)閉負(fù)載或獨(dú)立于電源電壓控制功率輸送。LTC4359 通過驅(qū)動(dòng)兩個(gè) N 溝道 MOSFET 作為負(fù)載開關(guān)來阻斷正向和反向電流，從而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

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 MOSFET 的體二極管。LTC4359 檢測(cè)來自 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?？焖傧吕?a target="_blank">比較器 （FPD COMP） 通過測(cè)量 MOSFET 兩端的輸入和輸出之間的壓降來檢測(cè)反向電流。當(dāng) MOSFET 兩端的電壓超過 ?30mV 時(shí)，F(xiàn)PD COMP 比較器通過在不到 500ns 的時(shí)間內(nèi)將 MOSFET 柵極拉低來做出響應(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通過將電壓瞬變箝位至?40V以下來保護(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)載開關(guān)

LTC4359 可用作一個(gè)開關(guān)來控制向負(fù)載輸送功率。二極管，無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/關(guān)閉負(fù)載開關(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 IC，并在 MOSFET 中實(shí)現(xiàn)二極管行為。在導(dǎo)通期間，可通過利用柵極電容器 C1 和 LTC4359 的受控柵極電流來控制 GATE 引腳上的轉(zhuǎn)換速率來限制浪涌電流。

圖5.28V負(fù)載開關(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。這與無源選擇方案形成鮮明對(duì)比，在無源選擇方案中，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 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?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MOSFET雪崩電流額定值，則可以增加D6，通過吸收任何雪崩能量來保護(hù)Q1，從而限制峰值V在–V外電壓至?150V。超過此點(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)用中通過汽車?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)載開關(guān)的開/關(guān)控制信號(hào)。LTC4359 非常適合汽車以及電信和冗余電源應(yīng)用。

審核編輯：郭婷