【導(dǎo)讀】阻斷二極管廣泛用于電源，以解決各種問題。在汽車系統(tǒng)中，串聯(lián)阻斷二極管可防止在更換電池或汽車啟動時意外反向連接電池。高可用性系統(tǒng)和電信配電采用阻斷二極管，通過并聯(lián)電源來實現(xiàn)冗余。二極管還用于防止儲能電容器在需要暫時保持輸出電壓以克服輸入壓差或噪聲尖峰的情況下放電，或者允許負載在輸入電源突然失效時正常斷電。
阻斷二極管廣泛用于電源，以解決各種問題。在汽車系統(tǒng)中，串聯(lián)阻斷二極管可防止在更換電池或汽車啟動時意外反向連接電池。高可用性系統(tǒng)和電信配電采用阻斷二極管，通過并聯(lián)電源來實現(xiàn)冗余。二極管還用于防止儲能電容器在需要暫時保持輸出電壓以克服輸入壓差或噪聲尖峰的情況下放電，或者允許負載在輸入電源突然失效時正常斷電。
雖然阻斷二極管易于理解和應(yīng)用，但其正向壓降會導(dǎo)致顯著的功耗，使其不適合低電壓和高電流應(yīng)用。在低壓應(yīng)用中，正向壓降成為電路工作范圍的限制因素，即使使用肖特基勢壘二極管也是如此。串聯(lián)二極管上至少損失了500mV的電源裕量，這在12V汽車系統(tǒng)中大幅下降，在冷啟動期間，電源可能降至低至4V。
由于二極管的工作電壓降最小值為400mV至700mV，因此無論額定電流如何，對于表面貼裝應(yīng)用，功耗在1A–2A范圍內(nèi)都會成為一個問題。在大于5A的應(yīng)用中，功耗成為一個主要問題，需要精心設(shè)計的散熱布局或昂貴的散熱器來保持二極管冷卻。電路設(shè)計人員需要更好的解決方案。
一種解決方案是用MOSFET開關(guān)代替二極管。MOSFET 的連接使其體二極管指向與其所取代的二極管相同的方向，但在正向?qū)ㄆ陂g，MOSFET 導(dǎo)通，使體二極管短路，通過 MOSFET 溝道的低損耗路徑。當電流反轉(zhuǎn)時，MOSFET關(guān)斷，體二極管阻斷電流，從而保持二極管行為。正向壓降和功耗降低了10倍。與傳統(tǒng)的p-n或肖特基勢壘二極管相比，這構(gòu)成了“理想”二極管的基礎(chǔ)。
LTC?4357 和 LTC4359 是理想的二極管控制器，專為在多種電源反向閉斷、ORing 和保持應(yīng)用中驅(qū)動 N 溝道 MOSFET 而設(shè)計。RDS（ON） 規(guī)格低至 1mΩ 的 MOSFET 現(xiàn)成，因此理想的二極管可以使用單通器件處理超過 50A 的電流，同時保持比任何二極管解決方案好 10 倍的電壓和功率損耗水平。
LTC4357 和 LTC4359 均取代了一個二極管，但后者具有低至 4V 的更寬工作范圍，其靜態(tài)電流僅為前者的四分之一。LTC4359 的 /SHDN 引腳減小了靜態(tài)電流，并將 LTC4359 解決方案轉(zhuǎn)變?yōu)樨撦d開關(guān)，這是 LTC4357 和二極管解決方案所不具備的特性。表 1 重點介紹了 LTC4357 和 LTC4359 的特性。
LTC?4359 是一款低靜態(tài)電流控制器，具有 4V–80V 的寬工作范圍。工作范圍的 4V 端在二極管壓降無法容忍的低壓應(yīng)用中尤為重要，而 80V 額定值使其能夠在 48V 電信系統(tǒng)和汽車環(huán)境中工作并承受瞬態(tài)。LTC4359 可保護下游電路免受低至 ?40V 的反向輸入的影響（當電池端子連接錯誤時可見）。
使用電池工作時，最小化放電電流在正常運行中很重要，并且在負載關(guān)閉時變得至關(guān)重要。LTC4359 具有一個 155μA （典型值）的低靜態(tài)電流，當置于停機模式時，該靜態(tài)電流可進一步減小至 14μA。盡管MOSFET在停機模式中關(guān)斷，但其體二極管仍然可以傳導(dǎo)正向電流。某些應(yīng)用需要能夠打開/關(guān)閉負載或獨立于電源電壓控制功率輸送。LTC4359 通過驅(qū)動兩個 N 溝道 MOSFET 作為負載開關(guān)來阻斷正向和反向電流，從而實現(xiàn)這一點。
部件號 | 工作電壓 | 電源電流 在 12V 時 | IGATE(UP) | 特征 |
LTC4357 | 9V–80V | 650μA | 20μA | 0.5μs 關(guān)斷時間（采用 2A 柵極） 下拉式 |
LTC4359 | 4V–80V | 155μA | 10μA | 低 IQ關(guān)斷模式，反向 輸入保護至?40V，控制 單通道或背靠背 MOSFET |
工作原理
LTC4359 控制一個 N 溝道 MOSFET，如圖 1 框圖中的 Q1 所示。MOSFET源極連接到輸入電源，其作用類似于二極管的陽極，而漏極是陰極。首次通電時，負載電流最初流過 MOSFET 的體二極管。LTC4359 檢測來自 IN-OUT 的壓降，并驅(qū)動 MOSFET 接通。內(nèi)部放大器 （柵極放大器） 和電荷泵試圖在 MOSFET 兩端保持 30mV 的壓降。如果負載電流導(dǎo)致超過30mV的壓降，則MOSFET完全導(dǎo)通，正向壓降根據(jù)RDS（ON）?我負荷.
圖1.LTC4359 的框圖
如果負載電流減小，柵極放大器將 MOSFET 柵極驅(qū)動得更低，以保持 30mV 的壓降。如果正向電流降低到無法支持 30mV 的程度，則柵極放大器將驅(qū)動 MOSFET 關(guān)斷。這可以防止直流反向電流，并允許在冗余電源應(yīng)用中平滑切換而不會振蕩。
在輸入短路的情況下，電流迅速反轉(zhuǎn)，并由輸出電容或其他電源供電。快速下拉比較器（FPD COMP） 通過測量 MOSFET 兩端的輸入和輸出之間的壓降來檢測反向電流。當 MOSFET 兩端的電壓超過 ?30mV 時，F(xiàn)PD COMP 比較器通過在不到 500ns 的時間內(nèi)將 MOSFET 柵極拉低來做出響應(yīng)。
SHDN 引腳控制 IC 和外部 MOSFET。將 /SHDN 引腳拉低可關(guān)閉 IC 和外部 MOSFET，同時將電流減小至僅 14μA。要使IC導(dǎo)通，/SHDN引腳可以保持浮動或驅(qū)動為高電平。如果懸空，則內(nèi)部 2.6μA 電流源上拉 /SHDN。
優(yōu)于肖特基二極管
基于 MOSFET 的二極管解決方案可降低肖特基二極管的功耗和正向壓降，并且用途更廣，有多種 MOSFET 可供選擇，幾乎可用于任何電壓和電流組合。圖 2 和圖 3 比較了 SBG2040CT 肖特基二極管與 BSC028N06NS MOSFET 的功耗和正向壓降。在 20A 電流下，BSC028N06NS 2.8mΩ MOSFET 的功耗僅為 1W，比 SBG8CT 肖特基二極管節(jié)省 2040W 的功耗。MOSFET大大降低了RDS（ON）?我負荷= 56mV，而肖特基二極管為450mV，使電路能夠在較低的電壓下工作。
圖2.功耗與負載電流的關(guān)系
圖3.負載電流與正向壓降的關(guān)系
12V/20A 汽車二極管，帶反向輸入保護
圖4所示為一個典型的12V、20A應(yīng)用，可以處理?40V的反向輸入。在滿載電流下，正向壓降僅為 56mV，這是由于 MOSFET 的導(dǎo)通電阻低至 2.8mΩ。
圖4.具有反向輸入保護的12V/20A理想二極管
在輸入短路期間，輸入、源極和輸出引腳可能會出現(xiàn)潛在的破壞性瞬變。D1和D2通過將電壓瞬變箝位至?40V以下來保護IN和SOURCE。Q1是一款60V BVDSS MOSFET，雪崩額定值為50A，可吸收感性能量，并防止輸入、源出和輸出超過其絕對最大額定值。
DC/DC 轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器等下游電路需要防止反向輸入和錯誤連接的電池端子看到的電壓。LTC4359 的輸入引腳的額定電壓為 ?40V。為了保持 MOSFET 關(guān)斷，當源極引腳相對于 V 為負時，內(nèi)部負 COMP 比較器進行檢測黨衛(wèi)軍至少 1.7V 電壓，并下拉 GATE 引腳。當MOSFET關(guān)閉時，負電壓無法到達負載。反向輸入保護受限于?40V，受R1耗散的影響。
二極管作為負載開關(guān)
LTC4359 可用作一個開關(guān)來控制向負載輸送功率。二極管，無論是肖特基二極管還是圖4所示的電路，始終傳導(dǎo)正向電流。在停機模式中，LTC4359 關(guān)斷了 MOSFET，但其體二極管仍傳導(dǎo)正向電流。
為了阻斷正向電流，增加了一個額外的MOSFET Q2，如圖5所示。/SHDN 引腳用作打開/關(guān)閉負載開關(guān)的控制信號。將 /SHDN 拉低關(guān)兩個 MOSFET：Q2 阻斷正向電流，而 Q1 可防止反向電流。MOSFET 體二極管指向相反的方向，從而阻止正向和反向電流流動。懸空或驅(qū)動 /SHDN 高電平可打開 IC，并在 MOSFET 中實現(xiàn)二極管行為。在導(dǎo)通期間，可通過利用柵極電容器 C1 和 LTC4359 的受控柵極電流來控制 GATE 引腳上的轉(zhuǎn)換速率來限制浪涌電流。
圖5.28V負載開關(guān)和帶反向輸入保護的理想二極管
對于多個電源，無論相對電源電壓如何，復(fù)制圖5都可以選擇有源電源。這與無源選擇方案形成鮮明對比，在無源選擇方案中，嚴格的二極管行為只是選擇具有最高電壓電源的輸入源。
并聯(lián)電源
多個LTC4359可用于組合兩個或多個電源的輸出以實現(xiàn)冗余或下垂共享，如圖6所示。對于冗余電源，輸出電壓最高的電源提供大部分或全部負載電流。如果在提供負載電流時電源輸出短路至地，則電流會暫時反轉(zhuǎn)，反向流過 MOSFET。LTC4359 檢測此反向電流并激活快速下拉比較器 （FPD COMP） 并在 500ns 內(nèi)關(guān)斷 MOSFET。
圖6.冗余電源
如果另一個最初較低的電源在發(fā)生故障時未提供任何負載電流，則輸出下降，直到其ORing MOSFET的體二極管導(dǎo)通。同時，LTC4359 以 10μA 電流對 MOSFET 柵極進行充電，直到正向壓降減小至 30mV。如果該電源在發(fā)生故障時共享負載電流，則其相關(guān)的ORing MOSFET只是更努力地驅(qū)動MOSFET柵極，以保持30mV的壓降。
如果電源輸出電壓和輸出阻抗幾乎相等，則可以實現(xiàn)壓降共享。30mV 調(diào)節(jié)技術(shù)可確保輸出之間平滑的負載均分，而不會發(fā)生振蕩。共享程度是MOSFET R的函數(shù)DS（ON）、電源的輸出阻抗及其初始輸出電壓，由歐姆定律規(guī)定。
擴展反向輸入保護范圍
圖 7 示出了配置為一個 4359V 理想二極管的 LTC48，可針對反向輸入電壓提供保護。添加 R2 以擴展 V在–V外范圍至?100VDC，可將正向調(diào)節(jié)降低10mV。在通過第二個電源或充電電容將輸出保持在+48V的應(yīng)用中，Q1將阻斷反向的48V輸入電源。在非冗余應(yīng)用中，當輸入電源被移除或意外反轉(zhuǎn)時，輸出可能會降至零，因此成功阻止高達?100VDC的輸入到達輸出。
圖7.具有反向輸入保護的48V理想二極管
R2 是脈沖額定組件，因此 V在–V外超過?100V的瞬變很容易被容忍。Q1因其250V BVDSS和極低R的組合而被選中DS（ON）20mΩ，但其雪崩額定值適中，為320mJ，最大雪崩電流為47A。如果反向電流超過MOSFET雪崩電流額定值，則可以增加D6，通過吸收任何雪崩能量來保護Q1，從而限制峰值V在–V外電壓至?150V。超過此點，D6將發(fā)生故障并將瞬態(tài)電流脈沖傳遞到輸出端。
結(jié)論
LTC?4359 理想二極管控制器取代了肖特基二極管，并且還可以驅(qū)動一個負載開關(guān)。在 1A–2A 或更高的電流下，LTC4359 優(yōu)于肖特基二極管解決方案。憑借其 4V–80V 的寬工作范圍和反向輸入能力，LTC4359 在低電壓應(yīng)用中通過汽車冷啟動保持低正向壓降，并保護負載免受電池反向連接的影響。停機模式進一步將本已很低的靜態(tài)電流（155μA）降至 14μA，并可用作負載開關(guān)的開/關(guān)控制信號。LTC4359 非常適合汽車以及電信和冗余電源應(yīng)用。
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