集成MOSFET的理想二极管好在哪儿？怎么选？
作者：Pete Bartolik
关键词：二极管，MOSFET，电源管理芯片
理想二极管技术可为电子应用带来诸多好处，包括降低压降、增强系统控制和强大的保护功能。产品设计人员可充分利用这些先进解决方案的潜力，创造出更高效、更紧凑和更坚固耐用的产品。但是，要为应用选择合适的理想二极管，需要在电气性能、散热、可靠性、成本和合规性等多种因素之间找到平衡点。
传统二极管的压降在 0.6 V 至 0.7 V 之间，肖特基二极管的压降约为 0.3 V。在大电流应用中，这些压降会导致严重的功率损耗。理想二极管（图 1）使用低导通电阻电源开关（通常是 MOSFET）来模拟二极管的单向电流流动特征，但没有二极管的压降损耗。
例如，在 1 A 负载下，10 mΩ MOSFET 的压降仅为 10 mV，而标准二极管的压降通常为 600 mV。电压降的减小也意味着功耗的大幅降低。10 mΩ MOSFET 在 1 A 负载时的损耗为 10 mW，而普通二极管的损耗为 600 mW。
通过增加背靠背 MOSFET 和控制电路，集成式理想二极管解决方案实现了更先进的功能，包括优先源选择、限流和浪涌限制，同时显著提升了电源管理的精密程度。传统上，这需要不同的控制器，导致实现全面的系统保护变得复杂且繁琐。但是，在理想的二极管解决方案中添加背靠背 MOSFET（图 2），通过启用一个或两个 MOSFET 的开启/关闭功能，或限制电流，就可实现全面的系统控制。
集成式解决方案可针对常见系统故障提供强大的保护，从而减少系统停机时间。可调欠压锁定 (UVLO) 和过压锁定 (OVLO) 阈值、可编程限流和热关断保护等功能确保系统即使在恶劣条件下也能保持正常工作。集成解决方案还有助于最大限度地减少所需元器件数量和电路板空间。
用集成 MOSFET 的解决方案取代传统肖特基二极管，可显著降低功耗，使其成为工业电源、电池供电系统以及电信和数据中心应用中冗余电源 OR-ing 的理想之选。这种解决方案还能确保反向输入保护，防止意外极性反接造成损坏
选择理想二极管时面临的挑战
集成理想二极管解决方案旨在确保应用的可靠和高效运行。
但是，设计人员在选择理想二极管时会面临一系列挑战，包括热管理、电流处理、额定电压、集成复杂性、成本和元器件供应情况：
- 虽然理想二极管能降低功率耗散，但热管理仍然是一个重要的考虑因素。设计人员必须确保二极管能够承受热负荷而不影响性能。正确的散热和热设计对防止过热至关重要。
- 二极管的电流处理能力必须能够管理应用的预期电流负载，不会超出额定限制。这包括评估二极管的 RDS(ON)，确保其在最大负载条件下保持在可接受的范围内。
- 二极管的额定电压必须足以承受应用中的最大电压水平。设计人员需要同时考虑正向压降和额定反向电压，以确保可靠运行。
- 虽然集成解决方案的优势众多，但也会使设计过程复杂化。设计人员必须确保所有集成功能（如 UVLO、OVLO 和电流限值）配置合适，这可能需要额外的设计和测试时间。
- 设计人员必须权衡集成的好处和增加的成本，并确定增加的功能是否值得花费。
- 设计人员必须确保所选二极管随时有货，不会出现影响生产计划的供应链问题。
发挥综合解决方案的优势
Analog Devices, Inc. (ADI) 是电源管理解决方案领域的领先企业，其推出的理想二极管控制器产品组合采用了基于 MOSFET 的设计方案。该公司的集成解决方案可最大限度地降低功耗、改善散热性能并提高系统可靠性，是工业、汽车、电信和电池供电型应用的必备之选。
集成解决方案将理想二极管功能与过压、欠压、热插拔和电子保险丝 (eFuse) 保护等附加系统保护功能整合在一个集成电路中。以前，这些功能都由不同的控制器提供，使得实现全面系统保护变得更加复杂。
如 MAX17614（图 3）等 ADI 的理想二极管控制器具有先进的反向输入保护、快速切换能力和高压处理能力，可实现无缝电源冗余并提高能效。MAX17614 是一款高度集成的解决方案，在单个集成电路中集成了一个高性能理想二极管和多种其他功能，可为电源系统提供全面保护。
MAX17614 提供 140 ns 的反向电流阻断保护，因此，可在优先电源选择器应用中使用更小的输出保持电容器，以提高整体系统效率。该器件将理想二极管/优先电源选择器功能与可调限流、热插拔、电子保险丝、欠压 (UV) 和过压 (OV) 保护功能组合在一起。
更小的解决方案尺寸
集成式理想二极管解决方案最大限度地减少了所需元器件的数量和电路板空间。例如，MAX17614 集成了两个 N 沟道场效应晶体管 (NFET)，可将解决方案的尺寸缩小 40%。
集成式 NFET 采用串联连接，具有低至 130 mΩ 的累积典型 RDS(on)。这些器件可用于实现理想二极管的功能，具备反向输入电压和反向电流保护特性，还能提高系统效率。输入 UV 保护可在 4.5 V 至 59 V 之间设置，而 OV 保护可在 5.5 V 至 60 V 之间独立设置。此外，该器件的默认内部 UVLO 上升阈值设置为 4.2 V（典型值）。
MAX17614 结构紧凑，尤其适合空间有限的应用。凭借快速响应时间、高电压能力和最小功率损耗，该器件在太阳能系统、USB-C 电源传输、工业自动化和医疗设备等对高效电源管理和可靠性要求极高的领域广受欢迎。
与分立式 MOSFET 相比，集成式 NFET 优化了热管理，减少了对额外冷却元器件的需求。在用于电信和数据中心解决方案的冗余电源 OR-ing 应用中，这些器件还能实现电源之间的快速切换。NFET 还提供反向输入保护，可防止电压连接错误或反向馈电造成损坏。
由于采用了集成式 NFET，设计人员无需寻找、选择外部 MOSFET，因此简化了物料清单 (BOM) 和 pcb 布局。设计人员可以利用元器件数量减少的优势，设计出更小、更紧凑的产品。
ADI 还提供 MAX17614EVKIT 评估套件，供设计人员测试并将 MAX17614 理想二极管控制器集成到其电源管理解决方案中。该评估板为评估基于 NFET 的集成理想二极管的效率、开关特性和保护功能提供了一个平台。
使用 EVKIT，可为工业电源、电池管理系统以及电信和服务器应用中的冗余电源 OR-ing 等应用进行高效电源路径解决方案的原型开发。该套件可用于分析不同负载条件下的电压和电流特性，有助于确保最佳元器件选型和设计布局，因此设计人员可在进行大规模 pcb 开发之前验证电路性能。
结语
理想二极管技术可为各种应用提供高效率、低损耗的电源路径控制，包括降低功率耗散、最大限度地减少压降和改善散热性能。理想二极管可提高能效、减少发热并消除对笨重散热器的需求，不仅能简化 pcb 设计，还能提高系统可靠性。ADI 的 MAX17614 及其配套评估板有助于设计人员为各种应用创建更小、更高效和高稳定性的电源解决方案。
小编的话：
正如文章所介绍的，集成式理想二极管解决方案以低功耗、高集成度和全面的保护功能为核心优势。通过使用低导通电阻的MOSFET替代传统二极管，显著降低导通压降和功率损耗，尤其在高电流应用中表现突出。这种方案的优势为现代电子系统提供了高效、可靠的电源管理方案。您是否有采用文中介绍的集成式理想二极管进行设计？您对这类器件的选型和有哪些经验或者疑问？欢迎留言，分享交流！
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