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(gè)方向流動(dòng)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(dāng)施加正向電壓時(shí)，控制器驅(qū)動(dòng)MOSFET導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)超低正向壓降，當(dāng)施加反向電壓時(shí)，控制器能夠快速關(guān)斷MOSFET，實(shí)現(xiàn)反向截止，從而達(dá)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(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)極低的正向?qū)▔航?，如?fù)載電流為10A時(shí)，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(duì)比。
圖2 正向電壓與負(fù)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(dāng)負(fù)載電流為10A時(shí)，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(shí)可將功耗降低到使用肖特基二極管時(shí)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(fù)載電流之間關(guān)系
理想二極管與二極管對(duì)比，優(yōu)勢(shì)總結(jié)如下：
理想二極管使用場(chǎng)景
1.電池反向保護(hù)
直接使用電池電源運(yùn)行的模塊或子系統(tǒng)需要防止電池反接，或防止在感性負(fù)載與電池?cái)嚅_連接期間出現(xiàn)動(dòng)態(tài)反極性條件。在汽車電池維護(hù)期間或車輛跨接啟動(dòng)過程中，電池在重新安裝過程中會(huì)發(fā)生反極性連接，并會(huì)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(shí)，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(yán)重受損。如圖5所示，電池反接還會(huì)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(huì)在電源線路上承受各種電氣瞬變。電池反向保護(hù)解決方案用來保護(hù)電氣子系統(tǒng)免受瞬態(tài)影響，并滿足每個(gè)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(hù)，如圖6所示：
圖6 采用肖特基二極管實(shí)現(xiàn)電池反向保護(hù)
實(shí)現(xiàn)電池反向保護(hù)的方式是在電池與用電系統(tǒng)路徑上添加一個(gè)串聯(lián)肖特基二極管。當(dāng)電池安裝正確時(shí)，負(fù)載電流沿二極管正向流動(dòng)。一旦電池安裝出現(xiàn)極性錯(cuò)誤，二極管將會(huì)被反向偏置并阻止反向電流流動(dòng)，從而保護(hù)負(fù)載免受負(fù)電壓影響。但肖特基二極管會(huì)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(hù)，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(shí)現(xiàn)反向保護(hù)示意圖
2.Oring電源
肖特基二極管可用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或者更多電源的Oring電路，從而增加系統(tǒng)冗余。當(dāng)需要“N”個(gè)電源來負(fù)載供電時(shí)，常提供一個(gè)額外的電源單元作為冗余電源，在發(fā)生單點(diǎn)故障（一個(gè)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(gè)PSU通過兩個(gè)肖特基二極管為負(fù)載供電。當(dāng)其中一個(gè)電源發(fā)生故障，并且其輸入短路時(shí)，該路徑中的肖特基二極管將反向偏置，并將另一個(gè)電源與該故障電源隔離。負(fù)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(jì)難度以及減小系統(tǒng)體積。
圖9 理想二極管替換肖特基實(shí)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(hù)、輸入欠壓保護(hù)、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(shí)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(duì)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(shí)簡(jiǎn)化了熱設(shè)計(jì)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(hù)功能，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行更為安全靈活的設(shè)計(jì)。
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(guó)產(chǎn)化” 為發(fā)展理念，“服務(wù)零缺陷”為質(zhì)量目標(biāo)，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(dòng)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。
掃碼關(guān)注｜了解更多
