Profiteren van ideale diodes met geïntegreerde MOSFET's

Ideale diodetechnologie biedt talloze voordelen voor elektronische toepassingen, zoals minder spanningsverliezen, betere systeemregeling en robuuste beveiligingsfuncties. Productontwerpers kunnen het volledige potentieel van deze geavanceerde oplossingen benutten om efficiëntere, compactere en robuustere producten te maken. Maar het selecteren van de juiste ideale diode voor een toepassing vereist het vinden van een balans tussen meerdere factoren, waaronder elektrische prestaties, thermische overwegingen, betrouwbaarheid, kosten en conformiteit.

Traditionele diodes vertonen een spanningsval van 0,6 V tot 0,7 V, waarbij Schottky-diodes ongeveer 0,3 V laten vallen. In toepassingen met hoge stroom kunnen deze druppels leiden tot aanzienlijk vermogensverlies. Een ideale diode (Afbeelding 1) maakt gebruik van een vermogensschakelaar met lage inschakelweerstand, meestal een MOSFET, om het eenrichtingsstroomgedrag van een diode na te bootsen, maar zonder de verliesgevende spanningsval van een diode.

Afbeelding 1: Dit diagram illustreert de verschillen tussen een diode (boven) en een ideale diodeschakeling. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Een 10 mΩ MOSFET bij een belasting van 1 A heeft bijvoorbeeld slechts een daling van 10 mV vergeleken met de typische daling van 600 mV over een standaarddiode. Deze vermindering in spanningsval vertaalt zich ook in een aanzienlijk lagere vermogensdissipatie. Een belasting van 1 A over een 10 mΩ MOSFET dissipeert 10 mW, vergeleken met de 600 mW die een gewone diode dissipeert.

Met een extra back-to-back MOSFET en regelcircuits kan een geïntegreerde ideale diode-oplossing meer geavanceerde functies bieden, zoals prioriteitsbronselectie, stroombegrenzing en inschakelbegrenzing, waardoor een laag van verfijning wordt toegevoegd aan het vermogensbeheer. Traditioneel waren hiervoor verschillende regelaars nodig, waardoor het complex en omslachtig werd om volledige systeembescherming te realiseren, maar door back-to-back MOSFET's toe te voegen aan een ideale diodeoplossing (afbeelding 2) kan het systeem volledig worden geregeld door het in-/uitschakelen van één of beide MOSFET's of door de stroom te beperken.

Afbeelding 2: Schema van een ideale diodeoplossing met back-to-back MOSFET's voor geavanceerde functionaliteit en regeling. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Geïntegreerde oplossingen bieden een robuuste bescherming tegen veel voorkomende systeemfouten, waardoor de uitvaltijd van het systeem wordt beperkt. Functies zoals instelbare onderspannings- (UVLO) en overspannings- (OVLO) drempels, programmeerbare stroomlimieten en thermische uitschakelbeveiliging zorgen ervoor dat systemen zelfs onder ongunstige omstandigheden blijven werken. Geïntegreerde oplossingen kunnen ook helpen om het aantal benodigde componenten en de ruimte op de printplaat te minimaliseren.

Het vervangen van traditionele Schottky diodes door een MOSFET-geïntegreerde oplossing vermindert de vermogensdissipatie aanzienlijk, waardoor het ideaal is voor industriële voedingen, batterijgevoede systemen en redundante voeding in telecom- en datacentertoepassingen. Het kan ook zorgen voor een omgekeerde ingangsbeveiliging, waardoor schade als gevolg van het per ongeluk omkeren van de polariteit wordt voorkomen.

Uitdagingen bij het selecteren van de ideale diode

Geïntegreerde ideale diode-oplossingen zijn ontworpen voor een betrouwbare en efficiënte werking in toepassingen.

Maar ontwerpers die een ideale diode proberen te selecteren, worden geconfronteerd met een reeks uitdagingen, waaronder thermisch beheer, stroomverwerking, spanningswaarde, integratiecomplexiteit, kosten en beschikbaarheid van componenten:

• Hoewel ideale diodes de vermogensdissipatie verlagen, blijft thermisch beheer een cruciale overweging. Ontwerpers moeten ervoor zorgen dat de diode de thermische belasting aankan zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties. Een goed koellichaam en thermisch ontwerp zijn essentieel om oververhitting te voorkomen.
• De diode moet de verwachte stroombelastingen van de toepassing aankunnen zonder de nominale limieten te overschrijden. Dit houdt in dat de RDS_(ON) van de diode wordt geëvalueerd en dat deze binnen aanvaardbare grenzen blijft onder maximale belastingsomstandigheden.
• De spanningswaarde van de diode moet voldoende zijn om de maximale spanningsniveaus in de toepassing te weerstaan. Ontwerpers moeten rekening houden met zowel de voorwaartse spanningsval als de nominale sperspanning om een betrouwbare werking te garanderen.
• Hoewel geïntegreerde oplossingen veel voordelen bieden, kunnen ze ook complexiteit introduceren in het ontwerpproces. Ontwerpers moeten ervoor zorgen dat alle geïntegreerde functies, zoals UVLO, OVLO en stroomlimieten, juist worden geconfigureerd, wat extra ontwerp- en testtijd kan vereisen.
• Ontwerpers moeten de voordelen van integratie afwegen tegen de extra kosten en bepalen of de extra functionaliteit de kosten rechtvaardigt.
• Ontwerpers moeten ervoor zorgen dat de geselecteerde diode gemakkelijk verkrijgbaar is en dat er geen beperkingen zijn in de toeleveringsketen die de productieschema's kunnen beïnvloeden.

Profiteren van geïntegreerde oplossingen

Analog Devices, Inc. (ADI), een leider in oplossingen voor energiebeheer, biedt een portfolio van ideale diodecontrollers die gebruikmaken van op MOSFET gebaseerde ontwerpen. De geïntegreerde oplossingen van het bedrijf minimaliseren de vermogensdissipatie, verbeteren de thermische prestaties en vergroten de betrouwbaarheid van het systeem, waardoor ze essentieel zijn voor industriële, auto-, telecom- en batterijgevoede toepassingen.

Geïntegreerde oplossingen combineren ideale diodefunctionaliteit met extra systeembeveiligingsfuncties zoals overspanning, onderspanning, hot swap en eFuse-bescherming, allemaal binnen één IC. Voorheen waren deze functies verspreid over verschillende controllers, wat de realisatie van volledige systeembescherming bemoeilijkte.

De ideale diodecontrollers van ADI, zoals de MAX17614 (Afbeelding 3), zijn voorzien van geavanceerde beveiliging tegen omgekeerde input, snelle omschakelmogelijkheden en hoogspanningsverwerking, waardoor naadloze stroomredundantie en verbeterde energie-efficiëntie mogelijk zijn. De MAX17614 is een sterk geïntegreerde oplossing die een hoogwaardige ideale diode biedt met meerdere andere functies in één geïntegreerd circuit om een voedingssysteem volledig te beveiligen.

De MAX17614 biedt een beveiliging tegen omgekeerde stroom van 140 ns, waardoor kleinere uitgangscondensators kunnen worden gebruikt in toepassingen met prioriteitsvoedingsbronselectie, wat de algehele systeemefficiëntie kan verbeteren. Het combineert ideale diode/prioritaire stroombronselectiefuncties met instelbare stroomlimieten, hot swap, eFuse, onderspanning (UV) en overspanning (OV) bescherming.

Afbeelding 3: ADI's MAX17614 ideale diode/stroombron-selectieapparaat. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Kleine oplossing:

Geïntegreerde ideale diodeoplossingen minimaliseren het aantal benodigde componenten en de ruimte op de printplaat. De MAX17614 bijvoorbeeld, met twee geïntegreerde N-kanaals-veldeffecttransistors (NFET's), maakt een reductie tot 40% van de oplossingsgrootte mogelijk.

De geïntegreerde NFET's zijn in serie geschakeld met een lage cumulatieve nominale RDS_(on) van 130 mΩ. Ze kunnen worden gebruikt om een ideale diodefunctie te implementeren die bescherming biedt tegen omgekeerde ingangsspanning en omgekeerde stroom met verbeterde systeemefficiëntie. Ingangs-UV-bescherming kan worden geprogrammeerd tussen 4,5 V en 59 V, terwijl OV-bescherming onafhankelijk kan worden geprogrammeerd tussen 5,5 V en 60 V. Bovendien heeft het apparaat een interne standaard UVLO stijgende drempel die is ingesteld op 4,2 V (standaard).

De compactheid van de MAX17614 is vooral gunstig in toepassingen waar ruimte schaars is. Met zijn snelle reactietijd, hoge spanningscapaciteit en minimaal vermogensverlies is hij populair gebleken voor gebruik in zonne-energiesystemen, USB-C-voeding, industriële automatisering en medische apparatuur, waar efficiënt voedingsbeheer en betrouwbaarheid van cruciaal belang zijn.

Vergeleken met discrete MOSFET's zijn geïntegreerde NFET's geoptimaliseerd voor thermisch beheer, waardoor er minder extra koelcomponenten nodig zijn. Ze maken ook snel schakelen tussen stroombronnen mogelijk in redundante stroom-OR-toepassingen die worden gebruikt voor telecom- en datacenteroplossingen. De NFET's bieden ook beveiliging tegen omgekeerde invoer, waardoor schade door onjuiste spanningsaansluitingen of terugvoeding wordt voorkomen.

Met de geïntegreerde NFET's worden de stuklijst (BOM) en PCB-lay-out vereenvoudigd omdat ontwerpers geen externe MOSFET's hoeven te selecteren. Ze kunnen profiteren van een lager aantal onderdelen om kleinere, compactere ontwerpen te maken.

ADI biedt ook de MAX17614EVKIT-evaluatiekit voor ontwerpers om de MAX17614 ideale diodecontroller te testen en te integreren in hun energiebeheeroplossingen. Het evaluatiebord biedt een platform om de efficiëntie, het schakelgedrag en de beveiligingsfuncties van de geïntegreerde, op NFET gebaseerde ideale diode te beoordelen.

De EVKIT maakt prototypes mogelijk van efficiënte stroompadoplossingen voor toepassingen zoals industriële voedingen, batterijbeheersystemen en redundante stroom-OR-ing in telecom- en servertoepassingen. Met de kit kan het spannings- en stroomgedrag onder verschillende belastingsomstandigheden worden geanalyseerd om te zorgen voor een optimale componentenselectie en ontwerplay-out, zodat ontwerpers de prestaties van het circuit kunnen valideren voordat ze overgaan tot de ontwikkeling van een volledige printplaat.

Conclusie

Ideale diodetechnologie biedt een zeer efficiënte vermogenswegbesturing met weinig verlies voor toepassingen, waaronder minder vermogensdissipatie, minimale spanningsval en betere thermische prestaties. Door de energie-efficiëntie te verbeteren, de warmteontwikkeling te verminderen en omvangrijke koellichamen overbodig te maken, verbeteren ideale diodes de betrouwbaarheid van het systeem en vereenvoudigen ze het PCB-ontwerp. Met de MAX17614 van ADI en het bijbehorende evaluatieboard kunnen ontwerpers kleinere, efficiëntere en zeer robuuste voedingsoplossingen maken voor een groot aantal toepassingen.