干貨分享 | 一文了解理想二極管
發(fā)布日期：2024-04-26
一文了解理想二極管
什么是理想二極管
定義：正向電壓為零且僅允許電流沿一個方向流動的二極管稱為理想二極管。
理想二極管是由理想二極管控制器（IC）和低內(nèi)阻MOSFET組合構(gòu)成。理想二極管控制器能夠通過判斷外部施加的正、反向電壓來控制MOSFET的通斷，當施加正向電壓時，控制器驅(qū)動MOSFET導(dǎo)通，實現(xiàn)超低正向壓降，當施加反向電壓時，控制器能夠快速關(guān)斷MOSFET，實現(xiàn)反向截止，從而達到理想二極管的效果。
圖1 二極管與理想二極管
為什么要使用理想二極管
普通二極管的正向壓降為0.6V到0.7V，肖特基二極管的壓降為0.3V，肖特基二極管雖然正向壓降較低，但反向漏電流大。而理想二極管由低內(nèi)阻的MOSFET（例如2mΩ）構(gòu)成，當MOSFET導(dǎo)通時，可以實現(xiàn)極低的正向?qū)▔航?，如負載電流為10A時，其正向?qū)▔航禐?0mV，與肖特基二極管相比，導(dǎo)通損耗降低了95%以上，而且MOSFET的反向漏電流比肖特基二極管要小，也降低了反向狀態(tài)下的漏電損耗?？梢悦黠@看出采用理想二極管的方案提供了更低的正向壓降，提高了電源系統(tǒng)的效率。圖2為理想二極管與肖特基二極管STPS20M60S的正向壓降對比。
圖2 正向電壓與負載電流之間關(guān)系
圖3顯示了肖特基二極管和理想二極管之間的功率耗散情況。當負載電流為10A時，理想二極管的功耗為0.35W，而肖特基二極管STPS20M60S的功耗為4.65W，因此理想二極管控制器和MOSFET配合使用時可將功耗降低到使用肖特基二極管時的1/10以下，非常符合如今節(jié)能減排的要求。
圖3 功率耗散與負載電流之間關(guān)系
理想二極管與二極管對比，優(yōu)勢總結(jié)如下：
理想二極管使用場景
1.電池反向保護
直接使用電池電源運行的模塊或子系統(tǒng)需要防止電池反接，或防止在感性負載與電池斷開連接期間出現(xiàn)動態(tài)反極性條件。在汽車電池維護期間或車輛跨接啟動過程中，電池在重新安裝過程中會發(fā)生反極性連接，并會導(dǎo)致連接的子系統(tǒng)、電路和組件遭到損壞。圖4顯示了反接的電池發(fā)生這種情況時，巨大的電流將流過MCU、DC/DC轉(zhuǎn)換器或其他集成電路的ESD二極管，從而使電池連接的系統(tǒng)嚴重受損。如圖5所示，電池反接還會損壞電解電容等極化元件。
圖4 反接電池：損壞MCU或DC/DC轉(zhuǎn)換器
圖5 反接電池：損壞極化電容器
汽車上一般配有12V或24V電池，在車輛使用期間，通過12V或24V電池供電的子系統(tǒng)會在電源線路上承受各種電氣瞬變。電池反向保護解決方案用來保護電氣子系統(tǒng)免受瞬態(tài)影響，并滿足每個子系統(tǒng)所需的能量。傳統(tǒng)上采用肖特基二極管提供電池反向保護，如圖6所示：
圖6 采用肖特基二極管實現(xiàn)電池反向保護
實現(xiàn)電池反向保護的方式是在電池與用電系統(tǒng)路徑上添加一個串聯(lián)肖特基二極管。當電池安裝正確時，負載電流沿二極管正向流動。一旦電池安裝出現(xiàn)極性錯誤，二極管將會被反向偏置并阻止反向電流流動，從而保護負載免受負電壓影響。但肖特基二極管會導(dǎo)致?lián)p耗功率大，需要高的熱管理成本以及占板空間。
使用理想二極管替換肖特基二極管提供電池反向保護，可以解決肖特基二極管所帶來的問題。圖7所示為CSV2557和外置MOSFET替代肖特基二極管的應(yīng)用原理圖。
圖7 理想二極管替換肖特基實現(xiàn)反向保護示意圖
2.Oring電源
肖特基二極管可用于實現(xiàn)兩個或者更多電源的Oring電路，從而增加系統(tǒng)冗余。當需要“N”個電源來負載供電時，常提供一個額外的電源單元作為冗余電源，在發(fā)生單點故障（一個電源單元發(fā)生故障）的情況下仍能維持系統(tǒng)工作。
圖8 采用肖特基二極管的雙ORing方案
圖8顯示了雙ORing方案，采用兩個PSU通過兩個肖特基二極管為負載供電。當其中一個電源發(fā)生故障，并且其輸入短路時，該路徑中的肖特基二極管將反向偏置，并將另一個電源與該故障電源隔離。負載完全由正常工作的電源保持供電，直到更換掉發(fā)生故障的電源。
如圖9所示為CSV2557和外置MOSFET替代肖特基二極管的應(yīng)用原理圖。在ORing電源的應(yīng)用中，使用理想二極管方案可以提高系統(tǒng)效率，降低散熱設(shè)計難度以及減小系統(tǒng)體積。
圖9 理想二極管替換肖特基實現(xiàn)雙路ORing電源示意圖
除CSV2557外，鍇威特提供了CSV2464、CSV2552、CSV2559、CSV2570等多種理想二極管控制芯片供用戶選擇。不同的芯片提供了輸入過壓保護、輸入欠壓保護、外置使能關(guān)斷功能、外置電荷泵以及浪涌抑制等多種功能，以滿足用戶的不同需求，實現(xiàn)更加靈活的配置。圖10到圖13分別給出了CSV2464、CSV2552、CSV2559、CSV2570的典型應(yīng)用原理圖。
表1則根據(jù)主要參數(shù)給出了理想二極管控制芯片的選型表。
圖10 CSV2464典型應(yīng)用原理圖
圖11 CSV2552典型應(yīng)用原理圖
圖12 CSV2559典型應(yīng)用原理圖
表1 鍇威特理想二極管產(chǎn)品選型表
總結(jié)
理想二極管極低的正向?qū)▔航祿p耗和極低的反向泄漏電流特性對比傳統(tǒng)肖特基二極管體現(xiàn)了更佳優(yōu)異的能效特性與可靠性，同時簡化了熱設(shè)計并且減小了供電系統(tǒng)的體積，有利于高效率和小型化。除了上述優(yōu)秀的特性外，理想二極管控制芯片還集成了各種保護功能，使得系統(tǒng)設(shè)計人員可以進行更為安全靈活的設(shè)計。
蘇州鍇威特半導(dǎo)體股份有限公司
蘇州鍇威特半導(dǎo)體股份有限公司成立于2015年，總部位于張家港市，設(shè)有西安子公司，無錫、南京及深圳分公司。公司專注于智能功率半導(dǎo)體器件與功率集成芯片研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。已于2023年8月18日在上交所科創(chuàng)板成功上市，股票代碼：688693。
自設(shè)立以來，公司以“自主創(chuàng)芯，助力核心芯片國產(chǎn)化” 為發(fā)展理念，“服務(wù)零缺陷”為質(zhì)量目標，聚焦功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)方向，采取功率器件與功率IC雙輪驅(qū)動策略，將公司打造成高品質(zhì)·高可靠的功率半導(dǎo)體供應(yīng)商。
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