In den letzten Jahrzehnten ist die Steigerung der Energieeffizienz zu einer Schlüsselherausforderung im Elektronikdesign geworden, insbesondere im Bereich der batteriebetriebenen Geräte und Stromversorgungen. Obwohl traditionelle Methoden der Spannungsrichtung und des Schutzes vor Verpolung häufig eingesetzt werden, sind sie aufgrund signifikanter Energieverluste weit davon entfernt, ideal zu sein. Diese Verluste erhöhen die thermischen Anforderungen und legen Designbeschränkungen auf.
Dieser Artikel konzentriert sich auf einen innovativen Ansatz zur Lösung dieses Problems, nämlich die Verwendung von MOSFETs als Ersatz für Gleichrichterdioden. Diese Transistoren, die als ideale Dioden verwendet werden, bieten signifikante Reduzierungen der Energieverluste und eliminieren die Notwendigkeit für komplexe und kostspielige Kühlsysteme. Im ersten Teil werden wir uns auf die Verwendung von MOSFETs anstelle von Dioden in Eingangsschaltungen konzentrieren, die darauf abzielen, Systeme gegen Verpolung zu schützen. Im zweiten Teil werden wir auch analysieren, wie weitere Fortschritte in den MOSFET-Steuerungstechniken das Design von Stromversorgungen revolutionieren können, was zu Systemen mit noch größerer Energieeffizienz und kleineren Abmessungen führt.
Seit dem Beginn der Entwicklung mobiler, batteriebetriebener Geräte besteht für Designer die Herausforderung darin, einen effektiven Schutz vor Verpolung zu gewährleisten und gleichzeitig den Energieverlust zu minimieren. Der klassische Ansatz zum Schutz vor Verpolung beinhaltet die Verwendung einer Gleichrichterdiode in Serie mit der Stromversorgung, wie in Abbildung 1 dargestellt. Diese Dioden, die im Stromversorgungskreis platziert werden, lassen den Strom nur in eine Richtung fließen und verhindern so Schäden am Gerät durch Verpolung. Der erste Schritt zur Optimierung, der die Effizienz um etwa 50% verbesserte, bestand darin, die Gleichrichterdiode durch eine Schottky-Diode zu ersetzen, wodurch der Spannungsabfall von 0,6-0,7V auf etwa 0,3-0,4V reduziert wurde. Obwohl dies eine häufig verwendete Methode ist, hat sie ihre Nachteile, wie Spannungsabfälle und Energieverluste. Trotz der Entwicklung spezialisierter Dioden für Batterieanwendungen mit einem Spannungsabfall von 250-300mV (bei niedrigen Strömen) ist die klassische Lösung noch weit von optimal entfernt.
Abbildung 1: Klassischer Schutz vor Verpolung
Der in Abbildung 1 dargestellte Ansatz war lange Zeit bei energieeffizienten, batteriebetriebenen Geräten akzeptabel, wobei die Energieverluste gewissermaßen in die "Kosten" solcher Geräte "eingerechnet" wurden. Diese Lösung war jedoch völlig ungeeignet für stromhungrigere Geräte. Beispiele für solche Geräte sind verschiedene Automobilgeräte zur Selbstinstallation, wie CB-Funkgeräte, Autoradiosysteme und Multimediasysteme. In diesen Fällen war es üblich, eine Eingangsdiode parallel zum versorgten Empfänger zu verwenden, wie in Abbildung 2 gezeigt. Leider bot diese Konfiguration keinen 100%igen Schutz gegen Schäden am Schaltkreis im Falle einer falschen Polarität.
Abbildung 2: Schutz gegen Verpolung bei Geräten mit hohem Stromverbrauch
Mit der Popularisierung und Verfügbarkeit von MOSFET-Transistoren kam eine effektive Lösung in Form eines MOSFETs in einer Diodenkonfiguration auf, wie in Abbildung 3 gezeigt.
Abbildung 3: MOSFET als Schutz gegen Verpolung:
A) Verwendung eines P-Kanal-MOSFET B) Verwendung eines N-Kanal-MOSFET
Die ideale Diodenkonfiguration bietet einen niedrigen Spannungsabfall, der durch den RDS(ON)-Wert des Transistors und den Laststrom bestimmt wird. Zum Beispiel beträgt bei einem Strom von 1 A und RDS(ON)=10 mΩ der Spannungsabfall über den Transistor nur 10 mV. Dieser Wert ist im Vergleich zum Spannungsabfall über eine normale Diode (600 mV) oder eine Schottky-Diode (350 mV) vernachlässigbar.
Die in Abbildung 3 gezeigte Konfiguration, die einen MOSFET-Transistor verwendet, hat einen Nachteil, der aus der Perspektive des Schutzes vor Verpolung der Geräte nicht signifikant ist, aber es unmöglich macht, die oben genannte Konfiguration als ideale Diode zu bezeichnen. Wenn eine Spannung, die den MOSFET öffnen kann, auf der Lastseite erscheint, dann wird eine Spannung am Eingang erscheinen. Daher ist bei Verwendung einer Batterie oder großer Kapazitäten auf der Lastseite (wie in Abbildung 4 gezeigt) ein zusätzlicher Schaltkreis oder ein spezieller Treiber, der auf dem Markt erhältlich ist, erforderlich.
Abbildung 4: Der Schaltkreis funktioniert nicht mehr, wenn große Kapazität oder eine Spannung, die den Transistor öffnen kann, auf der Lastseite erscheint
Auf dem Markt finden wir viele fertige Lösungen, die als Controller für ideale Dioden fungieren, wie:
Traditionelle Methoden des Schutzes gegen Verpolung haben ihren Zweck erfüllt, doch der Einsatz von MOSFETs bietet eine effizientere und wirksamere Alternative, die den Weg für Fortschritte im Design von Stromversorgungen und Energieeffizienz ebnet. Für klassischen Schutz gegen Verpolung, wie bei batteriebetriebenen Geräten oder solchen, die von einer externen Versorgung betrieben werden, reicht eine einfache Schaltung mit einem einzelnen MOSFET-Transistor aus. Um jedoch die Zuverlässigkeit zu erhöhen und die Eigenschaften einer am Eingang platzierten Diode zu bewahren, ist es notwendig, fortschrittlichere Schaltungen zu verwenden, die von vielen Herstellern zu sehr niedrigen Preisen auf dem Markt angeboten werden.