摘要
本文研究具有背靠背MOSFET的理想二極體以及其他更先進的元件。文中還介紹了一種整合多種功能以提供整體系統保護的理想二極體解決方案。二極體是非常實用的元件，對許多應用都很重要。標準矽二極體的壓降為0.6 V至0.7 V。蕭特基二極體的壓降為0.3 V。一般來說，壓降不是問題，但在高電流應用中，各個壓降會產生明顯的功率損耗。理想二極體是此類應用的理想元件。幸運的是，MOSFET可以取代標準矽二極體，並提供意想不到的應用優勢。
簡介
理想二極體使用低導通電阻功率開關（通常為MOSFET）來模擬二極體的單向電流行為，但沒有二極體的壓降損失。借助額外的背靠背MOSFET和控制電路，該解決方案可以提供更多的系統控制功能，例如優先源選擇、限流、湧浪限制等。在傳統解決方案中，這些功能分散在不同的控制器中，因此實現完整的系統保護會很複雜且麻煩。本文將研究理想二極體的主要電路規格，並介紹一個應用示例和新的理想二極體解決方案，該解決方案並於單一IC中整合了實現整體系統保護所需的其他功能。
理想二極體基礎知識
圖1顯示了採用N通道功率MOSFET的基本理想二極體。將MOSFET放置在適當的方向，使其本體二極體與要模擬的二極體功能方向相同（上方）。當VA高於VC時，電流可以自然地從左向右流過本體二極體。當電流沿該方向流動時，控制電路使MOSFET導通，以減小正向壓降。當VC高於VA時，為了防止電流反向（從右到左）流動，控制電路必須將MOSFET快速關斷。理想二極體的壓降很低，由MOSFET的RDS(ON)和電流大小決定。例如，在1 A負載下，10 mΩ MOSFET的端子會產生1 A × 10 mΩ = 10 mV的壓降，而常規二極體的典型壓降為600 mV。理想二極體的功耗為1 A2 × 10 mΩ = 10 mW，明顯低於常規二極體的1 A × 600 mV = 600 mW（典型值）。
圖1.二極體和理想二極體
得益於MOSFET技術的進步，現在出現了低RDS(ON)的MOSFET。如果在理想二極體解決方案中增加背靠背MOSFET，雖然會使壓降略微增加，但也會帶來許多系統控制功能。圖2顯示了此電路概念。
圖2.具有背靠背MOSFET的理想二極體
原有的Q1可以控制和阻斷從VB流向VA的反向電流。添加的MOSFET Q2可以控制和阻斷從VA流向VB的正向電流。
此解決方案透過導通/關斷一個或兩個MOSFET，或者限制任一方向的電流流過，可實現全面的系統控制。
理想二極體應用實例及主要規格
理想二極體有許多應用。以工業UPS備用電源系統（圖3）為例。該系統使用24 V主電源。此電源的工作範圍為19.2 VDC至30 VDC，瞬態電壓可高達60 V。將24 V電池用於備用電源。為確保備用電源充分可用，在正常運行期間（當電池處於待機狀態時），電池充滿至24 V。當主電源中斷時，電池提供備用電源，從24 V放電至19.2 V以下，直至系統不再運行，或者直至主電源恢復，以較早出現的情形為準。這裡需要一個理想二極體電路來提供ORing功能，用於在系統電源和備用電池之間切換。除了ORing功能，該系統還需要過壓、欠壓、熱插拔和eFuse保護，以防範常見的系統故障，增強系統穩固性。
圖3.工業UPS備用電源系統
ORing與源選擇器
圖4展示了電源ORing概念。為提供簡單說明，這裡使用二極體符號取代理想二極體電路。在如此簡單的ORing配置中，電壓較高的電源占主導地位並為負載供電，另一個電源處於待機狀態。如果兩個電源具有不同的電壓值，該解決方案會很有效。當兩個電壓彼此接近時，或者當存在電壓波動而導致電壓值交叉時，電源可能會來回切換。
圖4.輸入電源ORing
在此用例中，簡單的ORing功能是不夠的，原因有二。首先，電池電壓與系統標稱電壓24 V差不多。兩個電源可能會來回切換，這是我們不希望看到的。源阻抗和負載電流的影響進一步放大了這個問題。例如，當VS為負載供電時，負載電流會在VS源阻抗兩端產生壓降，使其端電壓降至略低於電池端電壓（當前空載）的水準。電池隨即接通，現在承載負載電流，這同樣會在電池阻抗兩端產生壓降，導致電池端電壓下降。同時，在無負載情況下，主電源端電壓升高，使得VS試圖接管。在此種情況下，就會在兩個電源之間持續振盪直到兩個電壓彼此偏離為止。
其次，24 V系統電源的電壓範圍為19.2 VDC（最小值）至30 VDC（最大值），峰值電壓瞬態可高達60 V。備用電池電壓充電至24 VDC，當主電源電壓下降到電池電壓以下但仍在其工作範圍內時，將由電池供電。這也是我們不希望看到的，因為電池會放電至非理想備用電壓。每當系統電壓低於24 V且高於其最小工作範圍時，系統便可能會嘗試同時對電池進行充電和放電。源選擇器在這種情況下很實用。圖5顯示了使用具有背靠背MOSFET的理想二極體的源選擇器概念。透過背靠背MOSFET，控制器可以完全切斷兩個方向的電流路徑，就像機械開關斷開一樣。圖6是具有背靠背MOSFET的理想二極體的符號表示。此符號在圖5中表示可實現源選擇器功能。在此配置中，VS設定為高優先順序。VB關斷，只有在VS低於其工作電壓範圍時才導通。
圖5.輸入源選擇器
圖6.具有背靠背MOSFET的理想二極體的符號表示
圖7顯示了電池處於待機狀態和備用期間的電源選擇器操作。
圖7.輸入源選擇器操作
其他重要系統保護要求
雖然圖6所示是一個閉合或斷開的機械開關，但請注意，借助適當的電流感測電路，控制器也可以調節電流。湧浪限制（熱插拔）、超載/短路保護(eFuse)和欠壓/過壓(UV/OV)等重要功能，均可利用已有的相同功率MOSFET來實現。
熱插拔
如圖3所示，當電路板插入背板（主系統電源和備用電池所在的板）時，系統板需要熱插拔功能來限制為輸入電容C充電時的湧浪電流。此種熱插拔功能透過感測和控制流過圖2中Q2的電流來實現。
eFuse
此功能可保護系統免受過流或短路情況的影響。使用圖2中相同的Q2，可監測、限制和關斷流經Q2的電流。eFuse應用中的限流閾值精度對於優化系統功耗預算非常重要。
UV/OV
控制器持續監測電源電壓。欠壓保護(UVLO)使Q2（圖2）保持安全關斷狀態，直至電源電壓上升到其最低工作位準（本例中為19.2 V）以上。當輸入瞬態電壓超過設定的最大位準（本例中選擇電壓值>30 V）時，過壓保護(OV)功能就會將Q2關斷。
重要的理想二極體電路規格及其對系統性能的影響
我們回到理想二極體，研究其用於ORing或源選擇器功能時的一些關鍵規格。
反向電流回應時間
參考圖2，這是Q1在電壓VA和VB反轉並使VB大於VA之後關斷的時間。此反向電流回應時間tR必須很小(100 ns)，以防反向電流從VB流回VA。在該系統中，當主導電源VS（在驅動負載時）關斷、瞬變至較低電壓或短路時，電壓可能反向。在此種情況下，tR防止反向電流從板電容C或從備用電池流回VS，或者盡可能減小反向電流。
過壓情況後的恢復
在沒有備用電池的系統中（圖8），電容C提供備用電源，通常稱其為保持電容。在此種配置中，VS上的瞬態過壓條件會觸發Q2（圖8）關斷。電容提供必要的電力以保持系統運行，同時其電壓因放電而下降。當VS回到正常工作範圍時，Q2重新導通。Q2重新導通的時間tON必須很短，使電容壓降盡可能低。圖9顯示了一個相對比較結果，在保持電容量相同的情況下，一半tON可將壓降降低一半。
圖8.具有保持電容的系統
圖9.壓降與tON的關係
我們研究了不同功能，如源選擇器、熱插拔、eFuse、UV/OV和關鍵規格，目的是防範常見的系統故障，增強系統穩固性。使用許多單一功能IC來實現所有這些功能會很麻煩。此種解決方案很複雜，需要許多元元件。 MAX17614 是一款全新的高整合度解決方案，透過單一IC即可實現高性能理想二極體功能以及許多其他功能，進而為電源系統提供全面保護。該元件的工作電壓範圍為4.5 V至60 V，提供3 A輸出，具有理想二極體/優先電源選擇器功能，以及可調限流、熱插拔、eFuse、UV和OV保護功能。圖10和圖11分別顯示了MAX17614在ORing應用和優先電源選擇器應用中的簡化原理圖。
圖10.MAX17614的電壓ORing應用
圖11.MAX17614的優先電源選擇器應用，其中VS具有優先權
結語
背靠背MOSFET解決方案可提供更多系統控制功能，如源選擇、熱插拔、eFuse、UV/OV等。使用單一功能IC的組合來提供完整系統保護的傳統解決方案既複雜又麻煩，因此我們研究了UPS備用電源應用，並簡要介紹了一種理想二極體解決方案，該解決方案還將其他需要的功能整合到單一IC中，以實現整體系統保護。
