Puente Rectificador Ideal

Introducción

En las últimas décadas, aumentar la eficiencia energética se ha convertido en un desafío clave en el diseño de electrónicos, particularmente en el ámbito de dispositivos alimentados por baterías y fuentes de alimentación. Aunque comúnmente empleados, los métodos tradicionales de rectificación de voltaje y protección contra polaridad inversa están lejos de ser ideales debido a las significativas pérdidas de energía, las cuales aumentan las demandas térmicas e imponen restricciones de diseño.

Este artículo se centra en un enfoque innovador para este problema, a saber, el uso de MOSFETs como diodos rectificadores sustitutos. Estos transistores, utilizados como diodos ideales, ofrecen reducciones significativas en las pérdidas de energía y eliminan la necesidad de sistemas de enfriamiento complejos y costosos. En la primera parte, nos enfocaremos en usar MOSFETs en lugar de diodos en circuitos de entrada destinados a proteger sistemas contra la polaridad inversa. En la segunda parte, también analizaremos cómo los avances adicionales en las técnicas de control de MOSFET pueden revolucionar el diseño de fuentes de alimentación, llevando a sistemas con una eficiencia energética aún mayor y dimensiones más pequeñas.

Enfoque Clásico para la Protección contra Polaridad Inversa

Desde el inicio del desarrollo de dispositivos móviles alimentados por batería, un desafío para los diseñadores ha sido asegurar una protección efectiva contra la polaridad inversa mientras se minimiza la pérdida de energía. El enfoque clásico para la protección contra la polaridad inversa implica el uso de un diodo rectificador en serie con la fuente de alimentación como se presenta en la Figura 1. Estos diodos, colocados en el circuito de suministro de energía, permiten que la corriente fluya solo en una dirección, evitando así daños en el dispositivo causados por la polaridad inversa. El primer paso hacia la optimización, mejorando la eficiencia en aproximadamente un 50%, involucró reemplazar el diodo rectificador por un diodo Schottky, lo que redujo la caída de voltaje de 0.6-0.7V a aproximadamente 0.3-0.4V. Aunque este es un método comúnmente utilizado, tiene sus inconvenientes, como caídas de voltaje y pérdidas de energía. A pesar del desarrollo de diodos especializados para aplicaciones con batería con una caída de voltaje de 250-300mV (a bajas corrientes), la solución clásica sigue estando lejos de ser óptima.

Figura 1: Protección Clásica Contra la Polaridad Inversa

El enfoque presentado en la Figura 1 fue aceptable durante mucho tiempo en dispositivos alimentados por baterías eficientes en energía, con las pérdidas de energía siendo de alguna manera "incluidas en los costos" de dichos dispositivos. Sin embargo, esta solución era completamente inadecuada para dispositivos más exigentes en términos de energía. Ejemplos de tales dispositivos incluyen varios equipos automotrices diseñados para autoinstalación, como radios CB, sistemas de audio para autos y sistemas multimedia. En estos casos, era común usar un diodo de entrada en paralelo con el receptor alimentado, como se muestra en la Figura 2. Desafortunadamente, esta configuración no proporcionaba una protección del 100% contra daños en el circuito en caso de polaridad incorrecta.

Figura 2: Protección contra polaridad inversa utilizada en dispositivos de alta corriente

Protección contra Polaridad Inversa Usando un Transistor MOSFET

Con la popularización y disponibilidad de los transistores MOSFET, surgió una solución efectiva en forma de un MOSFET utilizado en una configuración de diodo, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3: MOSFET como protección contra polaridad inversa:

A) Usando un MOSFET de canal P B) Usando un MOSFET de canal N

La configuración ideal de diodo proporciona una baja caída de voltaje, determinada por el valor de RDS(ON) del transistor y la corriente de carga. Por ejemplo, con una corriente de 1 A y RDS(ON)=10 mΩ, la caída de voltaje a través del transistor es solo de 10 mV. Este valor es insignificante en comparación con la caída de voltaje a través de un diodo regular (600 mV) o un diodo Schottky (350 mV).

La configuración mostrada en la Figura 3, utilizando un transistor MOSFET, tiene una desventaja que no es significativa desde la perspectiva de la protección contra polaridad inversa de los dispositivos, pero hace imposible llamar a la configuración anterior un diodo ideal. Si aparece un voltaje que puede abrir el MOSFET en el lado de la carga, entonces aparecerá un voltaje en la entrada. Por lo tanto, al usar una batería o grandes capacidades en el lado de la carga (como se muestra en la Figura 4), se requiere un circuito adicional o un controlador dedicado disponible en el mercado.

Figura 4: El circuito deja de funcionar cuando aparece una gran capacitancia o un voltaje que puede abrir el transistor en el lado de la carga

En el mercado, podemos encontrar muchas soluciones listas para usar que actúan como controladores para diodos ideales, tales como:

• DZDH0401DW de Diodes Incorporated proporciona el apagado de MOSFET con una diferencia de voltaje entre la entrada y la carga de aproximadamente 34mV.
• MAX16171 de Maxim Integrated es un controlador de diodo ideal avanzado que incluye protección contra corriente inversa.
• LM66100 de Texas Instruments es un diodo ideal completo con un MOSFET integrado, ofreciendo una solución lista para usar en sistemas alimentados por un suministro de 5V.

Conclusión

Los métodos tradicionales de protección contra polaridad inversa han cumplido su propósito, el uso de MOSFETs presenta una alternativa más eficiente y efectiva, abriendo camino para avances en el diseño de suministros de energía y la eficiencia energética. Para la protección clásica contra la polaridad inversa, como en dispositivos alimentados por batería o aquellos alimentados por un suministro externo, un circuito simple usando un único transistor MOSFET es suficiente. Sin embargo, para aumentar la fiabilidad y mantener las propiedades de un diodo colocado en la entrada, es necesario utilizar circuitos más avanzados disponibles en el mercado de muchos fabricantes a precios muy bajos.