Идеальный мостовой выпрямитель

Введение

За последние десятилетия повышение энергоэффективности стало ключевой задачей в дизайне электроники, особенно в области устройств на батарейках и источников питания. Хотя традиционные методы выпрямления напряжения и защиты от обратной полярности широко используются, они далеко не идеальны из-за значительных потерь мощности, которые увеличивают тепловые нагрузки и накладывают ограничения на дизайн.

В этой статье рассматривается инновационный подход к этой проблеме, а именно использование MOSFET в качестве заменяющих выпрямительные диоды. Эти транзисторы, используемые как идеальные диоды, предлагают значительное снижение потерь мощности и исключают необходимость в сложных и дорогостоящих системах охлаждения. В первой части мы сосредоточимся на использовании MOSFET вместо диодов во входных цепях, направленных на защиту систем от обратной полярности. Во второй части мы также проанализируем, как дальнейшие усовершенствования в техниках управления MOSFET могут революционизировать дизайн источников питания, приводя к системам с еще большей энергоэффективностью и меньшими размерами.

Классический подход к защите от обратной полярности

С самого начала разработки мобильных устройств, работающих от батарей, для дизайнеров задачей было обеспечение эффективной защиты от обратной полярности при минимизации потерь мощности. Классический подход к защите от обратной полярности включает использование выпрямительного диода, включенного последовательно с источником питания, как показано на рисунке 1. Эти диоды, установленные в цепи питания, позволяют току течь только в одном направлении, тем самым предотвращая повреждение устройства из-за обратной полярности. Первый шаг к оптимизации, улучшение эффективности примерно на 50%, заключался в замене выпрямительного диода на диод Шоттки, что снизило падение напряжения с 0.6-0.7В до примерно 0.3-0.4В. Хотя это и является широко используемым методом, у него есть свои недостатки, такие как падения напряжения и потери мощности. Несмотря на разработку специализированных диодов для батарейных приложений с падением напряжения 250-300мВ (при низких токах), классическое решение все еще далеко от оптимального.

Рисунок 1: Классическая защита от обратной полярности

Подход, представленный на рисунке 1, долгое время считался приемлемым для энергоэффективных устройств на батарейках, при этом потери мощности в какой-то мере "учитывались в стоимости" таких устройств. Однако, это решение было совершенно не подходящим для более энергоемких устройств. Примерами таких устройств являются различные автомобильные устройства, предназначенные для самостоятельной установки, такие как CB-радиостанции, автомобильные аудиосистемы и мультимедийные системы. В этих случаях обычно использовался входной диод параллельно с питаемым приемником, как показано на рисунке 2. К сожалению, эта конфигурация не обеспечивала 100% защиты от повреждения схемы в случае неправильной полярности.

Рисунок 2: Защита от обратной полярности, используемая в устройствах с высоким током

Защита от обратной полярности с использованием транзистора MOSFET

С популяризацией и доступностью транзисторов MOSFET появилось эффективное решение в виде использования MOSFET в диодной конфигурации, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3: MOSFET как защита от обратной полярности:

А) Использование P-канального MOSFET Б) Использование N-канального MOSFET

Идеальная конфигурация диода обеспечивает низкое падение напряжения, определяемое значением RDS(ON) транзистора и током нагрузки. Например, при токе 1 А и RDS(ON)=10 мОм, падение напряжения на транзисторе составляет всего 10 мВ. Это значение незначительно по сравнению с падением напряжения на обычном диоде (600 мВ) или на диоде Шоттки (350 мВ).

Конфигурация, показанная на рисунке 3, использующая транзистор MOSFET, имеет недостаток, который не является значительным с точки зрения защиты устройств от обратной полярности, но делает невозможным назвать вышеуказанную конфигурацию идеальным диодом. Если на стороне нагрузки появляется напряжение, которое может открыть MOSFET, то на входе появится напряжение. Поэтому при использовании батареи или больших емкостей на стороне нагрузки (как показано на рисунке 4) требуется дополнительная схема или специализированный драйвер, доступный на рынке.

Рисунок 4: Схема перестает работать, когда на стороне нагрузки появляется большая емкость или напряжение, которое может открыть транзистор

На рынке мы можем найти множество готовых решений, которые действуют как контроллеры для идеальных диодов, такие как:

• DZDH0401DW от Diodes Incorporated обеспечивает отключение MOSFET при разнице напряжений между входом и нагрузкой примерно в 34 мВ.
• MAX16171 от Maxim Integrated является продвинутым контроллером идеального диода, который включает защиту от обратного тока.
• LM66100 от Texas Instruments представляет собой полный идеальный диод с интегрированным MOSFET, предлагая готовое к использованию решение для систем, питаемых от источника 5В.

Заключение

Традиционные методы защиты от обратной полярности выполнили свою задачу, но использование MOSFET представляет собой более эффективную и эффективную альтернативу, прокладывая путь для прогресса в дизайне источников питания и энергоэффективности. Для классической защиты от обратной полярности, например, в устройствах на батарейках или тех, которые питаются от внешнего источника, достаточно простой схемы с использованием одного транзистора MOSFET. Однако для повышения надежности и сохранения свойств диода, установленного на входе, необходимо использовать более продвинутые схемы, доступные на рынке от многих производителей по очень низким ценам.