Nutzen Sie die Vorteile idealer Dioden mit integrierten MOSFETs

Die ideale Diodentechnologie bietet zahlreiche Vorteile für elektronische Anwendungen, darunter reduzierte Spannungsabfälle, verbesserte Systemsteuerung und robuste Schutzfunktionen. Produktdesigner können das gesamte Potenzial dieser fortschrittlichen Lösungen nutzen, um effizientere, kompaktere und robustere Produkte zu entwickeln. Bei der Auswahl der idealen Diode für eine Anwendung müssen jedoch mehrere Faktoren berücksichtigt werden, darunter elektrische Leistung, thermische Aspekte, Zuverlässigkeit, Kosten und Konformität.

Herkömmliche Dioden weisen einen Spannungsabfall von 0,6 V bis 0,7 V auf, während Schottky-Dioden etwa 0,3 V verlieren. Bei Anwendungen mit hohen Strömen können diese Abfälle zu erheblichen Leistungsverlusten führen. Eine ideale Diode (Abbildung 1) verwendet einen Leistungsschalter mit geringem Durchlasswiderstand, in der Regel einen MOSFET, um das unidirektionale Stromflussverhalten einer Diode zu imitieren, jedoch ohne den verlustbehafteten Spannungsabfall einer Diode.

Abbildung 1: Dieses Diagramm verdeutlicht die Unterschiede zwischen einer Diode (oben) und einer idealen Diodenschaltung. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Ein 10-mΩ-MOSFET hat bei einer Last von 1 A beispielsweise nur einen Spannungsabfall von 10 mV im Vergleich zu einem typischen Spannungsabfall von 600 mV bei einer Standarddiode. Dieser geringere Spannungsabfall führt auch zu einer deutlich geringeren Verlustleistung. Eine 1A-Last verbraucht über einen 10-mΩ-MOSFET 10 mW, verglichen mit 600 mW, die eine normale Diode verbraucht.

Mit einem zusätzlichen entgegengesetzt ausgerichteten MOSFET und einem Steuerschaltkreis kann eine integrierte ideale Diodenlösung modernere Funktionen bieten, wie z. B. die Auswahl der Prioritätsquelle, Strombegrenzung und Einschaltstrombegrenzung, was das Leistungsmanagement noch weiter verfeinert. Das Hinzufügen von entgegengesetzt ausgerichteten MOSFETs zu einer idealen Diodenlösung (Abbildung 2) bietet zudem eine vollständige Systemkontrolle, indem es das Ein- und Ausschalten eines oder beider MOSFETs oder die Strombegrenzung ermöglicht.

Abbildung 2: Diagramm einer idealen Diodenlösung, die entgegengesetzt ausgerichtete MOSFETs für erweiterte Funktionalität und Steuerung verwendet. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Integrierte Lösungen bieten einen robusten Schutz vor häufigen Systemfehlern und reduzieren so die Ausfallzeiten des Systems. Funktionen wie einstellbare Schwellenwerte für die Unterspannungs- (UVLO) und Überspannungsabschaltung (OVLO), programmierbare Stromgrenzwerte und ein thermischer Abschaltschutz sorgen dafür, dass die Systeme auch unter widrigen Bedingungen betriebsbereit bleiben. Integrierte Lösungen können auch dazu beitragen, die Anzahl der benötigten Komponenten und den Platz auf der Platine zu minimieren.

Der Ersatz herkömmlicher Schottky-Dioden durch eine MOSFET-integrierte Lösung reduziert die Verlustleistung erheblich und eignet sich daher ideal für industrielle Stromversorgungen, batteriebetriebene Systeme und redundante Stromversorgungen in Telekommunikations- und Rechenzentrumsanwendungen. Es kann auch einen Verpolungsschutz gewährleisten, der Schäden durch versehentliche Verpolung verhindert.

Herausforderungen bei der Auswahl der idealen Diode

Integrierte ideale Diodenlösungen sind so konzipiert, dass sie einen zuverlässigen und effizienten Betrieb in Anwendungen gewährleisten.

Bei der Auswahl der idealen Diode sehen sich die Entwickler jedoch mit einer Reihe von Herausforderungen konfrontiert, wie z. B. Wärmemanagement, Strombelastbarkeit, Nennspannung, Integrationskomplexität, Kosten und Verfügbarkeit der Komponenten:

• Obwohl ideale Dioden die Verlustleistung senken, bleibt das Wärmemanagement ein entscheidender Faktor. Die Entwickler müssen sicherstellen, dass die Diode die thermische Belastung ohne Leistungseinbußen bewältigen kann. Um Überhitzung zu vermeiden, sind eine geeignete Wärmeableitung und ein thermisches Design unerlässlich.
• Die Strombelastbarkeit der Diode muss die erwarteten Stromlasten der Anwendung bewältigen, ohne die Nennwerte zu überschreiten. Dabei wird der R_DS(ON) der Diode bewertet und sichergestellt, dass er unter maximalen Lastbedingungen innerhalb akzeptabler Grenzen bleibt.
• Die Nennspannung der Diode muss ausreichend sein, um den maximalen Spannungspegeln in der Anwendung standzuhalten. Um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, müssen die Entwickler sowohl den Vorwärtsspannungs- als auch den Rückwärtsspannungsabfall berücksichtigen.
• Integrierte Lösungen bieten zwar zahlreiche Vorteile, können aber auch zu einer höheren Komplexität des Entwurfsprozesses führen. Die Entwickler müssen sicherstellen, dass alle integrierten Funktionen, wie UVLO, OVLO und Strombegrenzungen, entsprechend konfiguriert sind, was zusätzliche Entwicklungs- und Testzeit erfordern kann.
• Die Entwickler müssen die Vorteile der Integration gegen die zusätzlichen Kosten abwägen und entscheiden, ob die zusätzlichen Funktionen die Ausgaben rechtfertigen.
• Die Entwickler müssen sicherstellen, dass die gewählte Diode leicht verfügbar ist und dass es keine Einschränkungen in der Lieferkette gibt, die sich auf die Produktionszeitpläne auswirken könnten.

Die Vorteile integrierter Lösungen nutzen

Analog Devices, Inc. (ADI), ein führender Anbieter von Energiemanagement-Lösungen, bietet ein Portfolio von idealen Dioden-Controllern, die MOSFET-basierte Designs nutzen. Die integrierten Lösungen des Unternehmens minimieren die Verlustleistung, verbessern die thermische Leistung und erhöhen die Systemzuverlässigkeit, was sie für Industrie-, Automobil-, Telekommunikations- und batteriebetriebene Anwendungen unverzichtbar macht.

Integrierte Lösungen vereinen die ideale Diodenfunktionalität mit zusätzlichen Systemschutzfunktionen wie Über- und Unterspannung, Hot Swap und eFuse-Schutz in einem einzigen IC. Bisher waren diese Funktionen auf verschiedene Schaltungen verteilt, was die Realisierung eines vollständigen Systemschutzes erschwerte.

Die idealen Diodencontroller von ADI, wie z. B. der MAX17614 (Abbildung 3), verfügen über einen modernen Eingangsschutz gegen Verpolung, schnelle Umschaltfunktionen und Hochspannungshandhabung, was eine nahtlose Leistungsredundanz und verbesserte Energieeffizienz ermöglicht. Der MAX17614 ist eine hochintegrierte Lösung, die eine leistungsstarke ideale Diode mit mehreren anderen Funktionen in einer einzigen integrierten Schaltung bietet, um ein Stromversorgungssystem vollständig zu schützen.

Der MAX17614 bietet eine 140 ns schnelle Rückstromsperre, was die Verwendung kleinerer Ausgangskondensatoren in Anwendungen mit vorrangiger Leistungsquellenauswahl ermöglicht, was die Gesamteffizienz des Systems verbessern kann. Er kombiniert ideale Dioden-/Prioritätsstromquellen-Wahlfunktionen mit einstellbaren Stromgrenzen, Hot Swap, eFuse, Unterspannungs- (UV) und Überspannungsschutz (OV).

Abbildung 3: Der ideale Dioden-/Stromquellenwähler MAX17614 von ADI. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Geringere Größe der Lösung

Integrierte ideale Diodenlösungen minimieren die Anzahl der erforderlichen Komponenten und den Platzbedarf auf der Leiterplatte. So ermöglicht beispielsweise der MAX17614 mit zwei integrierten N-Kanal-Feldeffekttransistoren (NFETs) eine Reduzierung der Baugröße um bis zu 40 %.

Die integrierten NFETs sind in Reihe geschaltet und haben einen niedrigen kumulativen typischen R_DS(on) von 130 mΩ. Sie können zur Implementierung einer idealen Diodenfunktion verwendet werden, die einen Rückwärts-Eingangsspannungs- und Rückwärtsstromschutz mit verbesserter Systemeffizienz bietet. Der Eingangs-UV-Schutz kann zwischen 4,5 V und 59 V programmiert werden, während der OV-Schutz unabhängig zwischen 5,5 V und 60 V programmiert werden kann. Darüber hinaus verfügt der Baustein über eine interne Standard-UVLO-Anstiegsschwelle, die auf 4,2 V (typisch) eingestellt ist.

Die kompakte Bauweise des MAX17614 ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, bei denen der Platz knapp bemessen ist. Mit seiner schnellen Reaktionszeit, der hohen Spannungsfähigkeit und dem minimalen Leistungsverlust hat er sich für den Einsatz in Solarenergiesystemen, USB-C-Stromversorgung, Industrieautomation und medizinischen Geräten bewährt, wo effizientes Energiemanagement und Zuverlässigkeit entscheidend sind.

Im Vergleich zu diskreten MOSFETs sind integrierte NFETs für das Wärmemanagement optimiert, was den Bedarf an zusätzlichen Kühlkomponenten reduziert. Sie ermöglichen auch ein schnelles Umschalten zwischen Stromquellen in redundanten Anwendungen mit ODER-Logik, die für Telekommunikations- und Rechenzentrumslösungen eingesetzt werden. Die NFETs bieten außerdem einen Verpolungsschutz, der Schäden durch falsche Spannungsanschlüsse oder Rückspeisung verhindert.

Mit den integrierten NFETs werden die Stückliste und das Platinenlayout vereinfacht, da die Entwickler keine externen MOSFETs beschaffen und auswählen müssen. Sie können die Vorteile einer geringeren Anzahl von Komponenten nutzen, um kleinere, kompaktere Designs zu erstellen.

ADI bietet außerdem das Evaluierungskit MAX17614EVKIT an, mit dem Entwickler den idealen Diodencontroller MAX17614 testen und in ihre Energiemanagement-Lösungen integrieren können. Das Evaluierungsboard bietet eine Plattform zur Bewertung der Effizienz, des Schaltverhaltens und der Schutzfunktionen der integrierten NFET-basierten idealen Diode.

Das EVKIT ermöglicht das Prototyping von effizienten Stromversorgungslösungen für Anwendungen wie industrielle Stromversorgungen, Batteriemanagementsysteme und redundante Stromversorgungen in Telekommunikations- und Serveranwendungen. Das Kit ermöglicht die Analyse des Spannungs- und Stromverhaltens unter verschiedenen Lastbedingungen, um eine optimale Komponentenauswahl und ein optimales Design-Layout zu gewährleisten, so dass die Entwickler die Schaltungsleistung validieren können, bevor sie sich an die Entwicklung einer vollständigen Leiterplatte machen.

Fazit

Die ideale Diodentechnologie bietet eine hocheffiziente, verlustarme Steuerung des Leistungspfads für Anwendungen, einschließlich reduzierter Verlustleistung, minimiertem Spannungsabfall und verbesserter thermischer Leistung. Durch die Verbesserung der Energieeffizienz, die Verringerung der Wärmeentwicklung und den Wegfall von sperrigen Kühlkörpern verbessern die idealen Dioden die Systemzuverlässigkeit und vereinfachen gleichzeitig das Platinendesign. Mit dem MAX17614 von ADI und dem dazugehörigen Evaluierungsboard können Entwickler kleinere, effizientere und äußerst robuste Stromversorgungslösungen für eine Vielzahl von Anwendungen entwickeln.