Ponte Retificadora Ideal

Introdução

Nas últimas décadas, aumentar a eficiência energética tornou-se um desafio chave no design de eletrônicos, particularmente no âmbito de dispositivos alimentados por bateria e fontes de alimentação. Embora comumente empregados, os métodos tradicionais de retificação de tensão e proteção contra polaridade reversa estão longe de ser ideais devido a perdas significativas de energia, que aumentam as demandas térmicas e impõem restrições de design.

Este artigo foca em uma abordagem inovadora para essa questão, nomeadamente o uso de MOSFETs como diodos retificadores substitutos. Esses transistores, usados como diodos ideais, oferecem reduções significativas nas perdas de energia e eliminam a necessidade de sistemas de refrigeração complexos e custosos. Na primeira parte, focaremos no uso de MOSFETs em vez de diodos em circuitos de entrada visando proteger sistemas contra polaridade reversa. Na segunda parte, também analisaremos como avanços adicionais nas técnicas de controle de MOSFET podem revolucionar o design de fontes de alimentação, levando a sistemas com eficiência energética ainda maior e dimensões menores.

Abordagem Clássica para Proteção Contra Polaridade Reversa

Desde o início do desenvolvimento de dispositivos móveis alimentados por bateria, um desafio para os designers tem sido garantir uma proteção eficaz contra polaridade reversa, minimizando a perda de energia. A abordagem clássica para a proteção contra polaridade reversa envolve o uso de um diodo retificador em série com a fonte de alimentação, conforme apresentado na Figura 1. Esses diodos, colocados no circuito de fornecimento de energia, permitem que a corrente flua apenas em uma direção, evitando assim danos ao dispositivo causados por polaridade reversa. O primeiro passo em direção à otimização, melhorando a eficiência em cerca de 50%, envolveu a substituição do diodo retificador por um diodo Schottky, que reduziu a queda de tensão de 0,6-0,7V para cerca de 0,3-0,4V. Embora este seja um método comumente usado, ele tem suas desvantagens, como quedas de tensão e perdas de energia. Apesar do desenvolvimento de diodos especializados para aplicações em baterias com uma queda de tensão de 250-300mV (em correntes baixas), a solução clássica ainda está longe de ser ótima.

Figura 1: Proteção Clássica Contra Polaridade Reversa

A abordagem apresentada na Figura 1 foi aceitável por muito tempo em dispositivos alimentados por bateria eficientes em termos de energia, com as perdas de energia sendo de certa forma "incluídas nos custos" desses dispositivos. No entanto, esta solução era totalmente inadequada para dispositivos mais ávidos por energia. Exemplos desses dispositivos incluem vários equipamentos automotivos projetados para autoinstalação, como rádios CB, sistemas de áudio para carros e sistemas multimídia. Nestes casos, era comum usar um diodo de entrada em paralelo com o receptor alimentado, conforme mostrado na Figura 2. Infelizmente, esta configuração não oferecia 100% de proteção contra danos ao circuito no caso de polaridade incorreta.

Figura 2: Proteção contra polaridade reversa usada em dispositivos de alta corrente

Proteção Contra Polaridade Reversa Usando um Transistor MOSFET

Com a popularização e disponibilidade de transistores MOSFET, surgiu uma solução eficaz na forma de um MOSFET usado em uma configuração de diodo, conforme mostrado na Figura 3.

Figura 3: MOSFET como proteção contra polaridade reversa:

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

A configuração ideal de diodo proporciona uma baixa queda de tensão, determinada pelo valor de RDS(ON) do transistor e pela corrente de carga. Por exemplo, com uma corrente de 1 A e RDS(ON)=10 mΩ, a queda de tensão através do transistor é de apenas 10 mV. Este valor é negligenciável comparado à queda de tensão através de um diodo comum (600 mV) ou de um diodo Schottky (350 mV).

A configuração mostrada na Figura 3, usando um transistor MOSFET, tem uma desvantagem que não é significativa do ponto de vista da proteção contra polaridade reversa dos dispositivos, mas torna impossível chamar a configuração acima de diodo ideal. Se uma tensão que pode abrir o MOSFET aparecer no lado da carga, então uma tensão aparecerá na entrada. Portanto, ao usar uma bateria ou grandes capacidades no lado da carga (como mostrado na Figura 4), um circuito adicional ou um driver dedicado disponível no mercado é necessário.

Figura 4: O circuito para de funcionar quando uma grande capacitância ou uma tensão que pode abrir o transistor aparece no lado da carga

No mercado, podemos encontrar muitas soluções prontas que atuam como controladores para diodos ideais, tais como:

• DZDH0401DW da Diodes Incorporated oferece desligamento de MOSFET com uma diferença de tensão entre entrada e carga de aproximadamente 34mV.
• MAX16171 da Maxim Integrated é um controlador de diodo ideal avançado que inclui proteção contra corrente reversa.
• LM66100 da Texas Instruments é um diodo ideal completo com um MOSFET integrado, oferecendo uma solução pronta para uso em sistemas alimentados por uma fonte de 5V.

Conclusão

Embora os métodos tradicionais de proteção contra polaridade reversa tenham cumprido seu propósito, o uso de MOSFETs apresenta uma alternativa mais eficiente e eficaz, abrindo caminho para avanços no design de fornecimento de energia e na eficiência energética. Para a proteção clássica contra polaridade reversa, como em dispositivos alimentados por bateria ou aqueles alimentados por uma fonte externa, um circuito simples usando um único transistor MOSFET é suficiente. No entanto, para aumentar a confiabilidade e manter as propriedades de um diodo colocado na entrada, é necessário usar circuitos mais avançados disponíveis no mercado de muitos fabricantes a preços muito baixos.