Sfruttare i vantaggi dei diodi ideali con i MOSFET integrati

La tecnologia dei diodi ideali offre numerosi vantaggi alle applicazioni elettroniche, tra cui la riduzione delle cadute di tensione, un migliore controllo del sistema e robuste funzioni di protezione. I progettisti possono sfruttare tutto il potenziale di queste soluzioni avanzate per creare prodotti più efficienti, compatti e robusti. Ma la scelta del diodo ideale per una data applicazione richiede il giusto equilibrio tra molteplici fattori, tra cui le prestazioni elettriche, le considerazioni termiche, l'affidabilità, il costo e la conformità.

I diodi tradizionali hanno una caduta di tensione compresa tra 0,6 V e 0,7 V, mentre i diodi Schottky si aggirano su 0,3 V. Nelle applicazioni ad alta corrente, queste cadute possono comportare una significativa perdita di potenza. Un diodo ideale (Figura 1) utilizza un interruttore di alimentazione a bassa resistenza nello stato On, in genere un MOSFET, per imitare il comportamento del flusso di corrente unidirezionale di un diodo, ma senza lo svantaggio della caduta di tensione del diodo.

Figura 1: Questo schema illustra le differenze tra un diodo (in alto) e la circuiteria di un diodo ideale. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Un MOSFET da 10 mΩ con un carico di 1 A, ad esempio, ha una caduta di soli 10 mV rispetto alla tipica caduta di 600 mV di un diodo standard. Questa minore caduta di tensione si traduce anche in una dissipazione di potenza significativamente inferiore. Un carico di 1 A attraverso un MOSFET da 10 mΩ dissipa 10 mW rispetto ai 600 mW dissipati da un normale diodo.

Con un MOSFET in opposizione di fase aggiuntivo e circuiteria di controllo, una soluzione a diodi ideali integrata può offrire funzioni più avanzate, tra cui la selezione della sorgente prioritaria, la limitazione della corrente e la limitazione della corrente di inserzione, aggiungendo un livello di sofisticatezza alla gestione dell'alimentazione. Tipicamente questo richiedeva diversi controller che rendevano complessa e ingombrante la realizzazione della protezione completa del sistema, ma l'aggiunta di MOSFET in opposizione di fase a una soluzione a diodi ideali (Figura 2) fornisce un controllo totale del sistema abilitando l'accensione e lo spegnimento di uno o di entrambi i MOSFET o limitando la corrente.

Figura 2: Schema di una soluzione a diodo ideale che utilizza MOSFET in opposizione di fase per funzionalità e controllo avanzati. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Le soluzioni integrate offrono una robusta protezione contro i guasti più comuni del sistema, riducendo così i tempi di fermo. Caratteristiche come le soglie di blocco di sottotensione (UVLO) e sovratensione (OVLO) regolabili, i limiti di corrente programmabili e la protezione da arresto termico garantiscono il funzionamento dei sistemi anche in condizioni avverse. Le soluzioni integrate possono anche contribuire a ridurre al minimo il numero di componenti necessari e lo spazio sulla scheda.

La sostituzione dei tradizionali diodi Schottky con una soluzione integrata di MOSFET riduce significativamente la dissipazione di potenza ed è dunque ideale per gli alimentatori industriali, i sistemi alimentati a batteria e l'ORing ridondante in applicazioni di telecomunicazione e data center. Può inoltre garantire la protezione dall'inversione di ingresso, evitando danni dovuti a cambi di polarità accidentali.

Sfide insite nella scelta del diodo ideale

Le soluzioni a diodi ideali integrati sono progettate per garantire un funzionamento affidabile ed efficiente delle applicazioni.

Ma i progettisti alla ricerca di un diodo ideale devono affrontare una serie di sfide, tra cui la gestione termica, la gestione della corrente, la tensione nominale, la complessità dell'integrazione, il costo e la disponibilità dei componenti:

• Sebbene i diodi ideali riducano la dissipazione di potenza, la gestione termica rimane un aspetto cruciale. I progettisti devono assicurarsi che il diodo sia in grado di gestire il carico termico senza compromettere le prestazioni. Un'adeguata dissipazione di calore e la progettazione termica sono essenziali per evitare il surriscaldamento.
• La capacità di corrente del diodo deve poter gestire i carichi di corrente previsti dall'applicazione senza superare i limiti nominali. Ciò comporta la valutazione della RDSOn del diodo e la verifica che rimanga entro limiti accettabili in condizioni di carico massimo.
• La tensione nominale del diodo deve essere sufficiente a sopportare i livelli massimi di tensione dell'applicazione. I progettisti devono considerare sia la caduta di tensione diretta, sia la tensione inversa per garantire un funzionamento affidabile.
• Sebbene le soluzioni integrate offrano numerosi vantaggi, possono anche introdurre complessità progettuali. I progettisti devono assicurarsi che tutte le funzioni integrate, come UVLO, OVLO e limiti di corrente, siano configurate in modo appropriato, il che può richiedere tempi di sviluppo e collaudo più lunghi.
• I progettisti devono soppesare i vantaggi dell'integrazione rispetto ai costi aggiuntivi e stabilire se la funzionalità aggiunta giustifichi la spesa.
• Devono assicurarsi che il diodo prescelto sia facilmente reperibile e che non vi siano vincoli della supply chain che possano influire sui programmi di produzione.

Sfruttare le soluzioni integrate

Analog Devices, Inc. (ADI), leader nelle soluzioni di gestione dell'alimentazione, offre una gamma di controller a diodi ideali che sfrutta progetti basati su MOSFET. Le soluzioni integrate dell'azienda riducono al minimo la dissipazione di potenza, migliorano le prestazioni termiche e aumentano l'affidabilità del sistema e ciò le rende essenziali per le applicazioni industriali, automotive, di telecomunicazione e alimentate a batteria.

Le soluzioni integrate combinano le funzionalità dei diodi ideali con ulteriori caratteristiche di protezione del sistema, da sovratensione, sottotensione, sostituzione a caldo e protezione eFuse, il tutto in un unico circuito integrato. In precedenza, queste funzioni erano disperse in vari controller, fatto che complicava la realizzazione della protezione completa del sistema.

I controller a diodi ideali di ADI, come MAX17614 (Figura 3), incorporano la protezione avanzata contro l'inversione dell'ingresso, capacità di commutazione rapida e gestione delle alte tensioni, per una ridondanza di potenza senza soluzione di continuità e una migliore efficienza energetica. MAX17614 è una soluzione altamente integrata che fornisce un diodo ideale ad alte prestazioni con molte altre funzioni in un unico CI per proteggere completamente un sistema di alimentazione.

MAX17614 offre la protezione con blocco della corrente inversa di 140 ns, consentendo l'uso di condensatori di mantenimento di uscita più piccoli nelle applicazioni con selettore delle fonti di alimentazione prioritarie, che possono migliorare l'efficienza complessiva del sistema. Combina le funzioni di diodo ideale/selettore di alimentazione prioritaria con limiti di corrente regolabili, sostituzione a caldo, eFuse, protezione da sottotensione (UV) e sovratensione (OV).

Figura 3: Il dispositivo diodo ideale/selettore di fonte di alimentazione MAX17614 di ADI. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Soluzione di dimensioni più compatte

Le soluzioni a diodi ideali integrati riducono al minimo il numero di componenti necessari e lo spazio sulla scheda. Ad esempio, MAX17614, con due transistor ad effetto campo a canale N (NFET) integrati, consente di ridurre le dimensioni della soluzione fino al 40%.

I NFET integrati sono collegati in serie con una bassa RDSOn cumulativa tipica di 130 mΩ. Possono essere utilizzati per implementare una funzione di diodo ideale che offre una protezione dall'inversione di tensione di ingresso e di corrente con una migliore efficienza del sistema. La protezione UV in ingresso può essere programmata tra 4,5 V e 59 V, mentre la protezione OV può essere programmata in modo indipendente tra 5,5 V e 60 V. Inoltre, il dispositivo dispone di una soglia in salita UVLO interna predefinita impostata a 4,2 V (tip.).

La compattezza del modello MAX17614 è particolarmente vantaggiosa nelle applicazioni con vincoli di spazio. Grazie ai tempi di risposta brevi, alla capacità di alta tensione e alla minima perdita di potenza, si è rivelato una scelta molto popolare per i sistemi di energia solare, nell'erogazione di potenza USB-C, nell'automazione industriale e nelle apparecchiature mediche, dove la gestione efficiente dell'alimentazione e l'affidabilità sono fondamentali.

Rispetto ai MOSFET discreti, i NFET integrati sono ottimizzati per la gestione termica, riducendo la necessità di componenti di raffreddamento aggiuntivi. Consentono inoltre di passare rapidamente da una fonte di alimentazione all'altra nelle applicazioni ORing ridondante utilizzate per le soluzioni di telecomunicazione e per i data center. I NFET forniscono anche una protezione dall'inversione dell'ingresso, prevenendo i danni causati da collegamenti di tensione errati o dal ritorno di alimentazione.

Con i NFET integrati, la distinta base e il layout della PCB risultano semplificati, in quanto i progettisti non devono procurarsi e selezionare MOSFET esterni, bensì possono sfruttare un numero minore di componenti per creare progetti più piccoli e compatti.

ADI offre anche il kit di valutazione MAX17614EVKIT per testare e integrare il controller con diodo ideale MAX17614 in soluzioni di gestione dell'alimentazione. La scheda di valutazione è una piattaforma per valutare l'efficienza, il comportamento di commutazione e le caratteristiche di protezione del diodo ideale integrato basato su NFET.

L'EVKIT consente la prototipazione di soluzioni efficienti per i percorsi di alimentazione in applicazioni quali gli alimentatori industriali, i sistemi di gestione delle batterie e l'ORing di alimentazione ridondante in applicazioni di telecomunicazione e server. Il kit consente di analizzare il comportamento della tensione e della corrente in diverse condizioni di carico per garantire la selezione ottimale dei componenti e il layout del progetto, in modo che i progettisti possano convalidare le prestazioni del circuito prima di impegnarsi nello sviluppo su scala reale.

Conclusione

La tecnologia dei diodi ideali offre un controllo del percorso di alimentazione ad alta efficienza e a bassa perdita in applicazioni che includono una dissipazione di potenza ridotta, una caduta di tensione minima e prestazioni termiche migliorate. Migliorando l'efficienza energetica, riducendo la generazione di calore ed eliminando la necessità di ingombranti dissipatori di calore, i diodi ideali migliorano l'affidabilità di un sistema e semplificano la progettazione delle PCB. MAX17614 di ADI e la relativa scheda di valutazione consentono ai progettisti di creare soluzioni di alimentazione più piccole, più efficienti e più robuste per un'ampia gamma di applicazioni.