Idealny Mostek Prostowniczy

Wstęp

W ciągu ostatnich kilku dekad zwiększenie efektywności energetycznej stało się kluczowym wyzwaniem w projektowaniu elektroniki, szczególnie w dziedzinie urządzeń zasilanych bateriami i zasilaczy. Chociaż powszechnie stosowane, tradycyjne metody prostowania napięcia i ochrony przed odwrotną polaryzacją są dalekie od ideału ze względu na znaczne straty mocy, które zwiększają zapotrzebowanie na chłodzenie i narzucają ograniczenia projektowe.

W tym artykule skupimy się na innowacyjnym podejściu do tego problemu, mianowicie na wykorzystaniu tranzystorów MOSFET jako zamienników diod prostowniczych. Te tranzystory, używane jako idealne diody, oferują znaczne redukcje strat mocy i eliminują potrzebę stosowania skomplikowanych i kosztownych systemów chłodzenia. W pierwszej części skupimy się na wykorzystaniu MOSFETów zamiast diod w obwodach wejściowych mających na celu ochronę systemów przed odwrotną polaryzacją. W drugiej części przeanalizujemy również, jak dalsze postępy w technikach sterowania MOSFETami mogą zrewolucjonizować projektowanie zasilaczy, prowadząc do systemów o jeszcze większej efektywności energetycznej i mniejszych wymiarach.

Klasyczne podejście do ochrony przed odwrotną polaryzacją

Od początku rozwoju przenośnych urządzeń zasilanych bateriami, wyzwaniem dla projektantów było zapewnienie skutecznej ochrony przed odwrotną polaryzacją przy jednoczesnym minimalizowaniu strat mocy. Klasyczne podejście do ochrony przed odwrotną polaryzacją polega na użyciu diody prostowniczej w szeregu z zasilaniem, jak przedstawiono na Rysunku 1. Te diody, umieszczone w obwodzie zasilania, pozwalają na przepływ prądu tylko w jednym kierunku, zapobiegając tym samym uszkodzeniu urządzenia spowodowanemu odwrotną polaryzacją. Pierwszym krokiem w kierunku optymalizacji, poprawiającym efektywność o około 50%, było zastąpienie diody prostowniczej diodą Schottky'ego, co zmniejszyło spadek napięcia z 0,6-0,7V do około 0,3-0,4V. Chociaż jest to powszechnie stosowana metoda, ma ona swoje wady, takie jak spadki napięcia i straty mocy. Pomimo rozwoju specjalistycznych diod do zastosowań bateryjnych ze spadkiem napięcia 250-300mV (przy niskich prądach), klasyczne rozwiązanie jest nadal dalekie od optymalnego.

Rysunek 1: Klasyczna ochrona przed odwrotną polaryzacją

Podejście przedstawione na Rysunku 1 było przez długi czas akceptowalne w przypadku energooszczędnych urządzeń zasilanych bateryjnie, przy czym straty mocy były w pewnym sensie "wliczane w koszty" takich urządzeń. Jednakże, to rozwiązanie było całkowicie nieodpowiednie dla urządzeń o większym zapotrzebowaniu na energię. Przykładami takich urządzeń są różne wyposażenia samochodowe przeznaczone do samodzielnego montażu, takie jak radia CB, systemy audio w samochodach i systemy multimedialne. W tych przypadkach, powszechnie stosowano diodę wejściową równolegle do zasilanego odbiornika, jak pokazano na Rysunku 2. Niestety, ta konfiguracja nie zapewniała 100% ochrony przed uszkodzeniem obwodu w przypadku nieprawidłowej polaryzacji.

Rysunek 2: Ochrona przed odwrotną polaryzacją stosowana w urządzeniach o wysokim prądzie

Ochrona przed odwrotną polaryzacją za pomocą tranzystora MOSFET

Z popularizacją i dostępnością tranzystorów MOSFET, pojawiło się skuteczne rozwiązanie w postaci MOSFET-u używanego w konfiguracji diody, jak pokazano na Rysunku 3.

Rysunek 3: MOSFET jako ochrona przed odwrotną polaryzacją:

A) Użycie tranzystora MOSFET typu P B) Użycie tranzystora MOSFET typu N

Idealna konfiguracja diody zapewnia niski spadek napięcia, określony przez wartość RDS(ON) tranzystora oraz prąd obciążenia. Na przykład, przy prądzie 1 A i RDS(ON)=10 mΩ, spadek napięcia na tranzystorze wynosi tylko 10 mV. Ta wartość jest znikoma w porównaniu ze spadkiem napięcia na zwykłej diodzie (600 mV) lub diodzie Schottky'ego (350 mV).

Konfiguracja przedstawiona na Rysunku 3, wykorzystująca tranzystor MOSFET, ma wadę, która nie jest znacząca z perspektywy ochrony urządzeń przed odwrotną polaryzacją, ale uniemożliwia nazwanie powyższej konfiguracji idealną diodą. Jeśli na stronie obciążenia pojawi się napięcie, które może otworzyć MOSFET, wtedy na wejściu pojawi się napięcie. Dlatego, przy użyciu baterii lub dużych pojemności po stronie obciążenia (jak pokazano na Rysunku 4), wymagany jest dodatkowy obwód lub dedykowany sterownik dostępny na rynku.

Rysunek 4: Obwód przestaje działać, gdy na stronie obciążenia pojawi się duża pojemność lub napięcie, które może otworzyć tranzystor

Na rynku możemy znaleźć wiele gotowych rozwiązań działających jako kontrolery dla idealnych diod, takie jak:

• DZDH0401DW od Diodes Incorporated zapewnia wyłączenie MOSFET przy różnicy napięć między wejściem a obciążeniem wynoszącej około 34mV.
• MAX16171 od Maxim Integrated to zaawansowany kontroler idealnego dioda, który obejmuje ochronę przed prądem zwrotnym.
• LM66100 od Texas Instruments to kompletny idealny diod z zintegrowanym MOSFET, oferujący gotowe do użycia rozwiązanie dla systemów zasilanych z napięcia 5V.

Podsumowanie

Tradycyjne metody ochrony przed odwrotną polaryzacją spełniły swoje zadanie, ale użycie MOSFETów prezentuje bardziej efektywną i skuteczną alternatywę, torując drogę do postępów w projektowaniu zasilania i efektywności energetycznej. Dla klasycznej ochrony przed odwrotną polaryzacją, takiej jak w urządzeniach zasilanych bateriami lub tych zasilanych z zewnętrznego źródła, wystarczający jest prosty obwód wykorzystujący pojedynczy tranzystor MOSFET. Jednakże, aby zwiększyć niezawodność i utrzymać właściwości diody umieszczonej na wejściu, konieczne jest użycie bardziej zaawansowanych obwodów dostępnych na rynku od wielu producentów w bardzo niskich cenach.