0V至18V理想二極管控制器比肖特基節(jié)省功耗和空間

肖特基二極管以多種方式用于實(shí)現(xiàn)多源電源系統(tǒng)。例如，高可用性電子系統(tǒng)，如網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)服務(wù)器，使用功率肖特基二極管OR電路來實(shí)現(xiàn)冗余電源系統(tǒng)。二極管ORing也用于具有備用電源的系統(tǒng)，例如交流墻上適配器和備用電池供電。功率二極管可與電容器結(jié)合使用，以在輸入掉電期間保持負(fù)載電壓。在這種情況下，功率二極管與輸入電壓串聯(lián)放置，電容器位于二極管的負(fù)載側(cè)。當(dāng)電容器提供電源時(shí)，反向偏置二極管將負(fù)載與驟降輸入隔離開來。

當(dāng)電流低于幾安培時(shí)，肖特基二極管足以滿足這些應(yīng)用，但對(duì)于更高的電流，二極管中由于正向壓降而消耗的多余功率需要更好的解決方案。例如，流過壓降為5.0V的二極管的5A會(huì)在二極管內(nèi)浪費(fèi)2.5W。這種熱量必須通過PCB上的專用銅區(qū)域或用螺栓固定在二極管上的散熱器來散發(fā)，這兩者都會(huì)占用大量空間。二極管的正向壓降也使其不適用于低壓應(yīng)用。這個(gè)問題需要具有零正向壓降的理想二極管，以節(jié)省功耗和空間。

LTC?4352 理想二極管控制器與一個(gè) N 溝道 MOSFET 配合使用可構(gòu)成一個(gè)近乎理想的二極管，以采用 0V 至 18V 輸入電源。圖 1 說明了此解決方案的簡單性。這種理想的二極管電路可以取代功率肖特基二極管，以創(chuàng)建高效的電源ORing或電源保持應(yīng)用。圖2顯示了理想二極管電路相對(duì)于肖特基二極管的節(jié)能效果。3A時(shí)節(jié)省5.10W，節(jié)省隨負(fù)載電流增加。憑借其快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，該控制器在對(duì)電壓下降更敏感的低壓二極管OR應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

圖1.控制一個(gè) N 溝道 MOSFET 的 LTC4352 取代了一個(gè)功率二極管和相關(guān)散熱器，以節(jié)省功耗、PCB 面積和壓降。還顯示了：采用 3mm × 3mm DFN-12 封裝 LTC4352 和 SO-8 尺寸 MOSFET 的理想二極管電路的小 PCB 占位面積。

圖2.隨著負(fù)載電流的增加，使用理想二極管 （LTC4352 + Si7336ADP） 而不是功率肖特基二極管 （SBG1025L） 所節(jié)省的功耗也會(huì)增加。

是什么讓它變得理想？

LTC4352 監(jiān)視 MOSFET 源極 （“陽極”） 和漏極 （“陰極”） 端子兩端的差分電壓。MOSFET 具有一個(gè)固有的源極至漏極體二極管，用于在初始上電時(shí)傳導(dǎo)負(fù)載電流。當(dāng)輸入電壓高于輸出電壓時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，導(dǎo)致正向壓降I。負(fù)荷? RDS（ON）.R型DS（ON）可以適當(dāng)?shù)剡x擇，以在肖特基二極管的壓降上輕松降低 10 倍。當(dāng)輸入降至輸出以下時(shí)，MOSFET 關(guān)斷，從而模擬反向偏置二極管的行為。

劣質(zhì)理想二極管控制技術(shù)利用遲滯比較器監(jiān)視 MOSFET 兩端的電壓。例如，只要輸入至輸出電壓超過25mV，MOSFET就可以導(dǎo)通。但是，選擇較低的關(guān)斷閾值可能很棘手。將其設(shè)置為正向壓降（例如 5mV），可使 MOSFET 在輕負(fù)載電流下反復(fù)關(guān)斷和導(dǎo)通。將其設(shè)置為負(fù)值（例如 –5mV）允許直流反向電流。

LTC4352 實(shí)施了一種線性控制方法，以避免基于比較器的技術(shù)所帶來的問題。它伺服 MOSFET 的柵極，以將 MOSFET 兩端的正向壓降保持在 25mV （圖 3 的 AMP）。在輕負(fù)載電流下，MOSFET 的柵極略高于其閾值電壓，以產(chǎn)生 25mV/I 的電阻負(fù)荷.隨著負(fù)載電流的增加，柵極電壓上升以降低MOSFET電阻。最終，在大負(fù)載電流下，MOSFET柵極完全導(dǎo)通，正向壓降隨負(fù)載電流線性上升，如I負(fù)荷? RDS（開).圖4所示為所得的理想二極管I-V特性。

圖3.LTC4352 的簡化內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖4.LTC4352 理想二極管與肖特基二極管的正向 I-V 特性。

在反向電壓條件下，柵極為低電平以完全關(guān)閉MOSFET，從而避免直流反向電流。線性方法還提供平滑的電流切換，用于二極管OR應(yīng)用中緩慢交叉輸入電源。事實(shí)上，根據(jù) MOSFET 和走線阻抗，當(dāng)輸入電源的電壓幾乎相等時(shí)，它們會(huì)共享負(fù)載電流。

快速開關(guān)控制

與傳統(tǒng)二極管相比，大多數(shù)理想的二極管電路具有較慢的瞬態(tài)響應(yīng)。另一方面，LTC4352 可快速響應(yīng)輸入至輸出電壓的變化。一個(gè)強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷 MOSFET，以保護(hù)輸入電源和電路板走線免受大反向電流的影響。類似地，驅(qū)動(dòng)器快速接通開關(guān)，以限制二極管OR應(yīng)用中電源切換期間的電壓下降。

圖5顯示了3.3V理想二極管OR電路中發(fā)生的快速切換事件。最初，VIN1 提供整個(gè)負(fù)載電流，因?yàn)樗哂?VIN2。在這種狀態(tài)下，MOSFET Q1導(dǎo)通，Q3關(guān)斷。短路導(dǎo)致 VIN1 在 VIN2 以下坍塌。LTC4352 的快速響應(yīng)將關(guān)斷 Q1 并接通 Q3，因此負(fù)載電流現(xiàn)在可以由 VIN2 提供。這種快速切換最大限度地減少了對(duì)負(fù)載電壓的干擾，使下游電路能夠繼續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖5.理想的二極管或快速切換。

為了實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)導(dǎo)通，LTC4352 采用了一個(gè)內(nèi)部充電泵和一個(gè)外部儲(chǔ)能電容器。該電容器連接在 CPO 和 SOURCE 引腳之間。CPO 是電荷泵的輸出，可提供高達(dá) 100μA 的上拉電流。儲(chǔ)能電容器累積并存儲(chǔ)電荷，在快速導(dǎo)通事件期間，可以調(diào)用電荷產(chǎn)生 1.5A 的瞬態(tài) GATE 上拉電流。儲(chǔ)能電容電壓在快速導(dǎo)通后下降，因?yàn)樗c輸入柵極電容（C國際空間站）的場效應(yīng)管。對(duì)于可接受的壓降，儲(chǔ)能電容值應(yīng)約為C 的 10 倍國際空間站的場效應(yīng)管。

禁用快速打開很容易。省略儲(chǔ)能電容會(huì)減慢柵極上升時(shí)間，由 CPO 上拉電流充電 C 決定國際空間站.當(dāng)電流流過 MOSFET 體二極管時(shí)，柵極緩慢導(dǎo)通可能會(huì)導(dǎo)致負(fù)載在輸入電壓以下大約一伏特，直到通道增強(qiáng)。這在較高的輸入電壓應(yīng)用中是可以接受的，例如12V。

像以前那樣做沒有二極管H的事情

LTC4352 通過集成輸入欠壓和過壓保護(hù)、用于報(bào)告狀態(tài)和故障信息的輸出、開路 MOSFET 檢測以及允許反向電流的能力，超越了二極管的功能。

圖 6 示出了具有欠壓和過壓保護(hù)功能的 4352V 理想二極管電路中的 LTC5。UV 和 OV 引腳具有具有 0.5V 跳變門限和 5mV 遲滯的比較器（圖 3）。從輸入電源到這些引腳的電阻分壓器設(shè)置了一個(gè)輸入電壓窗口，典型值為4.36V至5.78V，理想二極管功能在此工作。每當(dāng)柵極為高電平且功率流過外部 MOSFET 時(shí)，STATUS 引腳拉低以點(diǎn)亮綠色 LED。對(duì)于 V在在輸入電壓窗口之外，柵極保持關(guān)斷，F(xiàn)AULT 引腳拉低以發(fā)出故障條件信號(hào)。紅色 LED D2 提供視覺指示。需要背靠背MOSFET來阻止在柵極低電平條件下通過其固有的源極-漏極體二極管的傳導(dǎo)。單個(gè)MOSFET Q1可用于僅V的情況在超出范圍的指示就足夠了。但應(yīng)注意的是，當(dāng)柵極較低時(shí)，流過Q1體二極管的負(fù)載電流不會(huì)導(dǎo)致MOSFET過度散熱。

圖6.具有輸入欠壓和過壓保護(hù)功能的5V理想二極管電路。理想二極管功能工作在4.36V < V在<5.78V，否則GATE為低電平。

MOSFET 開關(guān)可能失效開路或其 RDS（ON）可能會(huì)在多年運(yùn)行中降低，從而增加開關(guān)兩端的壓降。當(dāng)過大的電流流過MOSFET時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致較大的壓降，這可能是由于輸出短路。LTC4352 可檢測此類故障，并通過其 FAULT 引腳對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記。當(dāng) MOSFET 檢測電路檢測到 MOSFET 兩端的正向壓降超過 250mV 時(shí)，即使柵極導(dǎo)通，開路 MOSFET 檢測電路也會(huì)跳閘。請(qǐng)注意，這種情況僅導(dǎo)致FAULT引腳拉低，但不采取任何操作來關(guān)閉開關(guān)。表 1 將狀態(tài)和故障 LED 狀態(tài)轉(zhuǎn)換為 LTC4352 的工作狀態(tài)。

指示燈狀態(tài)		理想二極管工作狀態(tài)
地位綠色指示燈	故障紅色指示燈	場效應(yīng)管	紫外線/紫外線
		關(guān)閉	不
		上	不
		關(guān)閉	是的
		打開	不

REV 引腳上的輸入用于配置 LTC4352 針對(duì)反向電流的行為。它為低電平，以實(shí)現(xiàn)正常二極管操作，從而阻止反向電流流過外部 MOSFET。驅(qū)動(dòng) REV 高于 1V 會(huì)使柵極完全開啟至其極限，即使在反向電流條件下也是如此。

僅欠壓、過壓和 V抄送欠壓鎖定可以覆蓋此限制以關(guān)閉柵極。此功能在允許發(fā)生反向電流的電源路徑控制應(yīng)用中或用于測試目的都非常方便。

熱插拔板上的浪涌控制

當(dāng)二極管電源輸入流過熱插拔板上的連接器時(shí)，LTC4352 可執(zhí)行雙重任務(wù)來控制浪涌電流。同樣，此應(yīng)用需要背靠背MOSFET，以阻止通過MOSFET體二極管的傳導(dǎo)。浪涌電流通過減慢負(fù)載電壓的上升速率來限制。這是通過限制 MOSFET 柵極上的 dV/dt 并在源極跟隨器配置中操作來實(shí)現(xiàn)的。

圖 7 示出了將 LTC4352 用于浪涌控制的應(yīng)用。由于目標(biāo)是限制柵極上的dV/dt，因此通過省略CPO儲(chǔ)能電容來禁用理想二極管的快速導(dǎo)通特性。柵極電流現(xiàn)在限制在 100μA 的 CPO 上拉電流。為了進(jìn)一步降低dV/dt，在柵極上增加了一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)。電阻在由于反向電流或過壓故障導(dǎo)致的快速關(guān)斷期間對(duì)電容器去耦。電阻器 RG防止Q2中的高頻振蕩。

圖7.控制浪涌電流。

當(dāng)電路板熱插拔時(shí)，長電源引腳首先接觸。LTC4352 上電，但由于 UV 為低，因此保持柵極關(guān)斷。在幾毫秒的電路板插入延遲后，短UV引腳接通。如果 VIN 高于 10.8V，則 MOSFET 柵極開始斜坡上升。當(dāng)柵極達(dá)到閾值電壓時(shí)，MOSFET 導(dǎo)通，電流開始對(duì)輸出充電。Q2工作在源極跟隨器模式，功耗最大。其VDS從VIN開始，降低到25mV/2。應(yīng)注意浪涌期間的功率耗散是否在MOSFET的安全工作區(qū)（SOA）內(nèi)。

腳踏實(shí)地的運(yùn)營

VIN工作范圍一直延伸到0V。但是，當(dāng)采用低于2.9V的輸入工作時(shí)，VCC引腳上需要一個(gè)外部電源。該電源應(yīng)在2.9V至6V范圍內(nèi)。對(duì)于此范圍的2.9V至4.7V子集，VIN應(yīng)始終低于VCC。VCC 和 GND 引腳之間還需要一個(gè) 0.1μF 旁路電容器。圖8所示為理想二極管電路，其中5V電源為VCC引腳上電。在這種情況下，VIN可以一直工作到0V和高達(dá)18V。

圖8.0V至18V理想二極管電路。通過使用 4.7V 至 6V 范圍 （此處為 5V） 的外部電源為 VCC 引腳供電，VIN 可在低至 0V 和高達(dá) 18V 的電壓下工作。

對(duì)于 2.9V 至 18V 的輸入電源，VCC 引腳上不需要外部電源。取而代之的是，從第27頁繼續(xù)使用內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓器 （Figure 3 中的 LDO） LTC4352 在 VCC 引腳上產(chǎn)生一個(gè) 4.1V 電源。對(duì)于低于 4.1V 的 VIN，VCC 在低于 VIN 的電壓下跟隨大約 50mV。仍然需要0.1μF VCC電容來實(shí)現(xiàn)旁路和LDO穩(wěn)定性。

結(jié)論

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)始終存在的主題是以更小的外形尺寸和更緊湊的功率預(yù)算打包更多的計(jì)算。另一個(gè)趨勢(shì)是降低分布式電源的電壓，這會(huì)增加電流以維持功率水平。鑒于這些限制，電路板設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)檢查大電流電源路徑中的每個(gè)二極管的功耗和面積消耗。

LTC4352 MOSFET 控制器提供了與二極管相同的功能，但效率更高，溫度更低，尤其是在電流增加時(shí)。它還集成了有用的功能，如快速開關(guān)控制、0V 操作、欠壓和過壓保護(hù)、開路 MOSFET 檢測、允許反向電流的能力、熱插拔功能以及故障和狀態(tài)輸出。所有這些功能都封裝在節(jié)省空間的 12 引腳 DFN（3mm × 3mm）和 MSOP 封裝中，從而能夠以比傳統(tǒng)二極管更小的尺寸生產(chǎn)理想的二極管解決方案。

審核編輯：郭婷