Maxim Integrated
Avtor: Jim Harrison
2019_271_30

Idealne diode v obliki integriranih vezij so nekoliko podobne otrokom, ki pogrešajo pozornost svojih staršev. Te naprave lahko resnično pomenijo občutno spremembo pri načrtovanju, vendar inženirji nanje očitno pozabijo. Integrirana vezja z idealnimi diodami v ta namen uporabljajo MOSFET tranzistorje in na ta način delujejo kot diode, vendar se pri tem zaradi padca na njem znatno zmanjša napetost, problem pa je tudi odtekanje toka.

Idealne diode v glavnem nastopajo v treh tipičnih aplikacijah. Prva je preprosta zaščita pred priključitvijo napajalne napetosti napačne polaritete pri napravah, ki delujejo na baterije. To je vezje je preprosta, v serijo vezana dioda v dovodu napajanja od baterije do aplikacijskega vezja. Druga tipična aplikacija je ALI vezje dveh ali več diod za zagotavljanje zanesljivega napajanja tam, kjer se zahteva neprekinjena oskrba z napajalno napetostjo. Zadnja tipična aplikacija je spet ALI vezje z diodami, vendar tokrat v vlogi izbirnega vezja med akumulatorsko baterijo na vozilu in stenskim polnilnikom – prav tako vezje pa vsebuje tudi vaš mobilni telefon in večina prenosne opreme. Idealne diode, kot je na primer MAX16915, se uporabljajo tudi za prenapetostno zaščito na vhodnih napajalnih sponkah.

Oblikovalec se lahko odloči, da bo v vseh treh omenjenih aplikacijah namesto standardne diode uporabil Schottky diodo. To bi bila velika pridobitev glede neželenih padcev napetosti, saj se te napetosti pri standardnih diodah gibljejo okrog 1,1 V, pri Schottky diodah pa le okrog 0,45 V pri toku 1A. Toda skozi idealno diodo bi pri tem toku padec napetosti znašal le 85mV in ta rešitev niti ne bi bila tako zelo draga! Poleg tega so idealne diode v obliki integriranega vezja mnogo, mnogo manjše. Idealna dioda v integriranem vezju zmanjša porabo energije, zmanjša padec napetosti (kar je zelo pomembno, če vezje napajamo iz nizkonapetostne baterije) in bo za vgradnjo na tiskanem vezju zanjo potrebno manj prostora. Poleg tega rešujejo še en velik problem v zvezi s Schottky diodami, ki imajo zelo visoko nivo odtekanja povratnega toka – približno 1mA za diode z nazivnim tokom 1A v prevodni smeri. To odtekanje je vsekakor neprimerno za vezja, ki jih napajamo s primarnimi baterijami. Idealna dioda ima tok odtekanja običajno manjši od 1µA v celotnem temperaturnem območju delovanja.

Obstajajo trije načini, da dosežete ta ideal. Lahko naredite svoje vezje, uporabite integrirani gonilnik zunanjih FET tranzistorjev ali uporabite integrirano vezje, ki ima vse našteto že vgrajeno. Krmiljenje FET tranzistorjev pa ni tako enostavno, kot bi si morda mislili. Pomembno je, da pogonsko vezje uravnava padec napetosti na MOSFET-u, da se zagotovi nemoten in enakomeren prenos toka z ene strani na drugo brez nihanja. Če napajalnik preneha delovati ali je v kratkem stiku, hiter izklop zmanjša škodljive prehodne pojave oziroma povratni tok. Idealna dioda, ki je izvedena pravilno, lahko zagotovi zaščito pred napačno priključenim napajanjem, pred prenapetostnimi konicami in udarnim tokom. Idealna integrirana vezja za krmiljenje diode, ki krmilijo zunanje FET-e, so na voljo s tokovnimi vrednostmi do 5A in napetostjo do 80V.

Izpostavljen primer
Odličen primer popolne idealne diode je Maximov MAX40200, ki deluje z napajalno napetostjo od 1,5 V do 5,5V in zmore tokove do 1 A. Na voljo je v majhnem 0,73mm kvadratnem 4-polnem WLP ali SOT23-5 ohišju. Je termično samozaščiten in deluje v temperaturnem območju od -40 ° C do 125 ° C. Kadar je MAX40200 onemogočen, blokira napetosti do 6 V v obeh smereh.

Funkcijski diagram na sliki 1 prikazuje simbol za notranji FET. P-kanalni FET je dodal vezju sposobnost zaznavanja MOSFET napetosti med ponorom in virom, poleg krmiljenja vrat pa vzdržuje celotno diodo polarizirano v neprevodni smeri.

Treba je opozoriti, da za razliko od običajnih diod ta “idealna dioda” ni primerna za usmerjanje izmeničnih napetosti. Pri aplikacijah, kjer je izmenično napajanje 60Hz induktivno sklopljeno, je treba uporabiti običajne diode za usmerjevalni del vezja. MAX40200 je zasnovan za uporabo v aplikacijah za preklapljanje med različnimi viri enosmernega toka. Čip ima reguliran padec napetosti ~ 20mV pri toku prevajanja 100mA. Nad tem tokom se padec napetosti poveča na približno 90mV pri največjem nazivnem toku prevajanja 1A. Ta majhen padec napetosti bo povečal učinkovitost in znatno povečal čas delovanja baterije. Dinamični odziv tega integriranega vezja je podrobno opisan v primeru aplikacije “Statično in dinamično vedenje MAX40200 v aplikaciji Diode ORing”. Na voljo je tudi razvojni komplet MAX40200EVKIT.
AAA baterija ima za dve celici na primer zmogljivost 1Ah pri ~ 3 V napetosti. Če bi bil padec napetosti na Schottky diodi 0,36V pri toku 1A, pri opisanem integriranem vezju MAX40200 pa samo 0,09V, je razlika 0,27 V, kar prinese 0,27Wh prihranjene energije. Torej bi vaša naprava lahko delovala še dodatnih petnajst minut pri največji obremenitvi 1 A!

Samo integrirano vezje ima termalno zaščito z izklopom pri okoli + 154 ° C in histerezo 12 ° C. Če tokovi presegajo ~ 500mA, morate biti pri načrtovanju paziti, da ne presežete te temperature. Toplotna zmogljivost paketa WLP pa dejansko presega toplotno zmogljivost paketa SOT.

Drug primer integriranega diodnega krmilnika
MAX16141 idealen diodni krmilnik, ki pa ima precej drugačno nalogo, kot smo jih videli v našem prvem primeru. Ta čip zagotavlja sistemsko zaščito pred povratnim tokom, prevelikim tokom, vhodno prenapetostjo in podnapetostjo ter zaščito pred delovanjem pri povišanih temperaturah nad skrajno mejo. Vezje je sposobno odklopiti in izolirati neprimerno vhodno napajanje. Zaradi širokega razpona napetosti od 3,5 V do 36 V in nizkega toka v izklopnem stanju, ki znaša tipično 5μA, je idealen za uporabo v avtomobilskih aplikacijah in je tudi certificiran za uporabo v avtomobilski industriji.
V tokokrogu na sliki 3 črpalka naboja integriranega vezja krmili vrata zunanjih nFET-ov da doseže na kondenzatorju napetost do 9V nad priključeno napetostjo vira. Hitro delujoč primerjalnik blokira pretok toka v obratni smeri v maksimalnem času 1μs, ko vhodna napetost pade pod nivo izhodne napetosti. Zunanji upor za zaznavanje (merjenje) toka med priključkoma RS in OUT skrbi za morebitne tokovne preobremenitve. Najvišji tok je nastavljiv in ga določajo karakteristike izbranih FET-ov. Prek vhodov OVSET in UVSET imamo možnost nastavitve točk za prenapetostne in podnapetostne dogodke. MAX16141 je na voljo v TQFN ohišju 4 x 4 x 0,75 mm s 16 priključki in deluje v temperaturnem območju od -40 ° C do 125 ° C.

Mirno lahko rečemo, da so idealne diode v mnogih aplikacijah nepogrešljive, vendar menim, da so premalo izkoriščene, saj se včasih zdi, da nihče točno ne ve, kje naj bi jih uporabil. Včasih jih razvrščajo med ojačevalnike, včasih med komponente za napajanje, včasih kot zaščita vezja.

Vsekakor pa se bo inženirjem zavedanje, da te komponente vendarle obstajajo, prav gotovo izplačalo.

Vir: https://www.maximintegrated.com/en/design/blog/an-ideal-diode-can-be-an-engineer-best-friend.html

www.maximintegrated.com