隔離二極體廣泛地應用於電源以解決諸多的問題。在汽車系統中,當更換電池或發動車輛引擎時,串聯隔離二極體可提供針對意外電池反接的保護作用。高可用性系統和電訊配電使用隔離二極體以經由電源並聯實現冗餘。另外,二極體還用於防止儲能電容器在需要進行某種短暫的輸出電壓保持以安然度過輸入壓降或雜訊尖峰的場合中放電,或者在輸入電源突發故障時使負載能夠平穩地斷電。

雖然隔離二極體容易瞭解和應用,但是其正向壓降會產生顯著的功耗,因而使得它們在低電壓和高電流應用中均不適合。在低電壓應用中,正向電壓降成為了電路工作範圍的一個限制因素,即使在使用蕭特基勢壘二極體時也不例外。在一個串聯二極體的兩端至少丟失了500mV的電源儲備空間,在電源於冷啟動期間會降低至4V的12V汽車系統中,這是一種實質性的下降。

由於二極體是操作於400mV至700mV(最小值)的固定電壓降(這與額定電流額定無關),因此對於表面黏著型應用而言,功耗在1A至2A範圍內就成為一個問題。在超過5A的應用中,功耗成為了一個主要問題,這就要求採用精心細緻的熱佈局或成本昂貴的散熱片以保持二極體的低溫運作狀態,而電路設計者所需的是更好的解決方案。

解決方案之一是用MOSFET開關替代二極體。透過連接MOSFET以使其體二極體與它所替代的二極體指向同一個方向,但是在正向導電期間MOSFET導通,因而透過一個穿過MOSFET通道的低損耗路徑短接體二極體。當電流反向時,MOSFET關斷,體二極體阻止電流的流動,從而保持二極體的運作方式。正向壓降和功耗的降幅高達10倍。相較於傳統的p-n型或蕭特基勢壘二極體時,這便形成了「理想」二極體的基礎。

LTC4357和LTC4359是理想二極體控制器,專為在眾多電源反向隔離、合路(ORing)和保持應用中驅動N通道MOSFET而設計。RDS(ON)規格低至1mΩ的MOSFET很容易採購,因此可採用單個傳輸元件構建理想二極體,以處理超過50A的電流,同時保持電壓和優於任何二極體解決方案達10倍的功耗水準。

LTC4357和LTC4359均取代了一個二極體,但是後者具有較寬廣的操作範圍(最低至4V),而且其靜態電流是前者的1/4。LTC4359的/SHDN接腳可降低靜態電流並使LTC4359解決方案成為一個負載開關,這是LTC4357和二極體解決方案不具備的一項特性。表1重點舉出了LTC4357和LTC4359的特點。

LTC4359是具有4V至80V寬廣操作範圍的低靜態電流控制器。操作範圍的4V端在不能容許二極體壓降的低電壓應用中是特別重要的,而80V的額定規格則使其能夠在48V電訊系統和汽車環境中運行並安全經受瞬變。LTC4359可保護下游電路免遭低至–40V之反向輸入(當電池端子錯接時將出現此種情況)的損壞。

20170608_Linear_TA41P8 表1:理想二極體控制器

當採用電池供電工作時,儘量減小放電電流在正常操作中是重要的,而且在負載斷開時變得至關重要。LTC4359具有一個典型值為155μA的低靜態電流,並且當元件置於關機模式時將進一步減小至14μA。雖然MOSFET在關機模式中是關斷的,但是其體二極體仍能傳導正向電流。有些應用需要擁有導通/關斷某個負載或在不受電源電壓影響的情況下控制供電的能力。LTC4359透過將兩個N通道MOSFET作為一個負載開關來驅動(以阻斷正向和反向電流)完成了該任務。

工作原理

LTC4359控制一個在圖1方塊圖中示為Q1的N通道MOSFET。MOSFET源極連接至輸入電源並充當二極體的正極,而MOSFET漏極則為二極體的負極。當首次上電時,負載電流最初流過MOSFET的體二極體。LTC4359感測從IN至OUT的壓降,並將MOSFET驅動至導通狀態。內部放大器(GATE AMP)和充電泵試圖在MOSFET的兩端保持30mV壓降。如果負載電流引起超過30mV的電壓降,那麼MOSFET將被驅動至完全導通,而正向壓降按照RDS(ON)·ILOAD增加。

20170608_Linear_TA41P1 圖1:LTC4359的方塊圖

如果負載電流減小,則GATE AMP把MOSFET閘極驅動至較低的位準以保持30mV的壓降。倘若正向電流減小至不能支援30mV壓降的水準,則GATE AMP會將MOSFET驅動至關斷狀態。這將阻止DC反向電流並在冗餘電源應用中實現無振盪的平滑切換。

如果發生輸入短路,則電流迅速反向並由輸出電容或另一個電源供電。快速下拉比較器(FPD COMP)透過測量位於IN和OUT之間的MOSFET兩端之壓降來感測反向電流。當MOSFET兩端的壓降超過–30mV時,FPD COMP比較器則透過在不到500ns的時間內將MOSFET閘極拉至低位準來做出回應。

/SHDN針腳負責控制IC和外部MOSFET。將/SHDN針腳拉至低位準將關斷IC和外部MOSFET,同時將電流消耗減小至僅14μA。若需導通IC,則可將/SHDN針腳浮置或驅動至高位準。如果是浮置,則一個內部2.6μA電流源上拉/SHDN針腳位準。

優於蕭特基二極體

基於MOSFET的二極體解決方案減少了功耗和蕭特基二極體上的正向壓降,而且更具通用性,並且具有大量的MOSFET可供選擇,適用於幾乎任何電壓和電流組合。

圖2和圖3比較了SBG2040CT蕭特基二極體和BSC028N06NS MOSFET的功耗及正向壓降。在20A電流條件下,BSC028N06NS 2.8mΩ MOSFET僅消耗1W功率,比SBG2040CT蕭特基二極體節省了8W功耗。MOSFET的正向電壓降為RDS(ON)·ILOAD=56mV,比起蕭特基二極體的450mV有了極大的減少,從而使電路能在較低的電壓下工作。

20170608_Linear_TA41P2 圖2:功耗與負載電流的關係曲線

20170608_Linear_TA41P3 圖3:負載電流與正向電壓降的關係曲線

具反向輸入保護功能的12V/20A汽車二極體

圖4顯示一款能處理至–40V之反向輸入的典型12V、20A應用電路。由於MOSFET具有2.8mΩ的低導通電阻,因此正向壓降在滿負載電流條件下只有56mV。

20170608_Linear_TA41P4 圖4:具反向輸入保護功能的12V/20A理想二極體

在輸入短路期間,IN、SOURCE和OUT針腳上會出現具有潛在破壞性的瞬變。D1和D2透過將電壓瞬變箝位元至小於–40V以保護IN和SOURCE。一個額定雪崩電流為50A的60V BVDSS MOSFET Q1負責吸收感應電能,並防止IN、SOURCE和OUT超過其絕對最大額定值。

DC/DC轉換器和線性穩壓器等下游電路需要提供針對反向輸入和錯接電池端子所承受之電壓的保護。LTC4359的輸入針腳額定在–40V。為了將MOSFET保持在關斷狀態,一個內部NEGATIVE COMP比較器會感測何時SOURCE針腳相對於VSS為負(至少在1.7V),並在GATE針腳上執行下拉操作。當MOSFET關斷時,將阻止負電壓到達負載。反向輸入保護被R1中的功率耗散限制在大約–40V。

以二極體作為負載開關

LTC4359可用作一個開關以控制至負載的供電。二極體(不管是蕭特基二極體或是圖4所示的電路)始終傳導正向電流。在關機模式中,LTC4359關斷MOSFET,但是其體二極體仍然傳導正向電流。

為了阻斷正向電流,如圖5所示增設了一個額外的MOSFET Q2。/SHDN針腳起控制訊號的作用以導通/關斷負載開關。將/SHDN針腳拉至低位準將使兩個MOSFET全部關斷:Q2隔斷正向電流,而Q1則阻止反向電流。MOSFET體二極體指向相反的方向,進而阻斷正向和反向電流。把/SHDN針腳浮置或驅動至高位準將導通IC並在MOSFET中啟用二極體的運作方式。在導通期間,可透過閘極電容器C1控制GATE針腳上的轉換速率以及LTC4359的受控閘極電流來限制湧浪電流。

20170608_Linear_TA41P5 圖5:28V負載開關和具有反向輸入保護功能的理想二極體

對於存在多個電源的情形,複製圖5所示的電路可實現主動的電源選擇,而不會受相對電源電壓的影響。這與被動選擇方案是完全不同的,在被動選擇方案中,嚴格的二極體運作方式簡單地選擇具有最高電壓的輸入電源。

並聯電源

可採用多個LTC4359以組合兩個或更多電源的輸出,從而提供冗餘或實現壓降均分,如圖6所示。對於冗餘電源,由具有最高輸出電壓的那個電源提供大部分或全部負載電流。如果在提供負載電流的同時電源的輸出短接對地,則電流短暫地反向,並透過MOSFET回流。LTC4359感測到該反向電流並啟動快速下拉比較器(FPD COMP),在500ns的時間裡關斷MOSFET。

20170608_Linear_TA41P6 圖6:冗餘電源

假如另一個最初較低的電源在發生故障時未在提供任何負載電流,則輸出下降,直到其合路MOSFET的體二極體導電為止。同時,LTC4359以10μA電流給MOSFET閘極充電,直到正向壓降減至30mV為止。如果該電源在發生故障時分擔負載電流,那麼其相關的合路MOSFET會簡單地對MOSFET柵極進行更強烈的驅動以保持30mV的壓降。

如果兩個電源的輸出電壓和輸出阻抗幾乎相等,則可實現壓降均分。30mV調節方法可確保在輸出之間實現平滑的負載均分,並無振盪。按照歐姆定律的規定,均分的程度是MOSFET RDS(ON)、電源的輸出阻抗及其初始輸出電壓的一個函數。

擴展反向輸入保護範圍

圖7所示為LTC4359被配置為一個具有針對反向輸入電壓之保護能力的48V理想二極體。增設R2以把VIN–VOUT範圍擴展至–100VDC,這具有把正向調節點降低10mV的作用。在那些由第二個電源或充電電容器把輸出保持在+48V的應用中,Q1將阻隔一個反向48V輸入電源。在非冗餘應用中,可以預計當輸入電源被拿掉或意外反接時輸出將降低至零,從而成功地阻止高達–100VDC的輸入到達輸出端。

20170608_Linear_TA41P7 圖7:具有反向輸入保護功能的48V理想二極體

R2是一個脈衝額定元件,因此能很容易地耐受超過–100V的VIN–VOUT瞬變。選擇Q1的原因是其兼具250V BVDSS和異常低的20mΩ RDS(ON),但是其額定雪崩能量是適中的320mJ,並具有47A的最大雪崩電流。倘若反向電流超過了MOSFET的額定雪崩電流,則可增設D6,以透過吸收任何雪崩能量來保護Q1,而且將峰值VIN–VOUT電壓限制在–150V。一旦超過這個點則D6將擊穿,並將暫態電流脈衝一直傳遞至輸出端。

結論

LTC4359理想二極體控制器取代了蕭特基二極體,而且還能驅動一個負載開關。在1A至2A或更大電流條件下,LTC4359優於蕭特基二極體解決方案。憑藉其4V至80V的寬廣操作範圍和反向輸入耐受能力,LTC4359在低電壓應用中保持低的正向壓降(度過汽車冷車發動的過程),並保護負載免遭電池反接的損壞。關機模式將已經很低的155μA靜態電流進一步減小到低至14μA,並可用作一個用於負載開關的通/斷控制訊號。LTC4359非常適合汽車以及電訊和冗餘電源應用。