Cầu chỉnh lưu lý tưởng

Giới thiệu

Trong vài thập kỷ qua, việc tăng cường hiệu suất năng lượng đã trở thành một thách thức quan trọng trong thiết kế điện tử, đặc biệt là trong lĩnh vực thiết bị sử dụng pin và nguồn cung cấp điện. Mặc dù thường được sử dụng, các phương pháp chỉnh lưu điện áp truyền thống và bảo vệ chống đảo cực không phải là lý tưởng do mất mát năng lượng đáng kể, làm tăng nhu cầu về nhiệt và đặt ra các hạn chế thiết kế.

Bài viết này tập trung vào một cách tiếp cận đổi mới cho vấn đề này, cụ thể là việc sử dụng MOSFETs thay thế cho diode chỉnh lưu. Những transistor này, khi được sử dụng như diode lý tưởng, mang lại sự giảm đáng kể trong mất mát năng lượng và loại bỏ nhu cầu về hệ thống làm mát phức tạp và tốn kém. Trong phần đầu, chúng ta sẽ tập trung vào việc sử dụng MOSFETs thay cho diode trong các mạch đầu vào nhằm bảo vệ hệ thống khỏi đảo cực. Trong phần thứ hai, chúng ta cũng sẽ phân tích cách tiến bộ hơn nữa trong kỹ thuật điều khiển MOSFET có thể làm cách mạng hóa thiết kế nguồn cung cấp điện, dẫn đến các hệ thống có hiệu suất năng lượng cao hơn và kích thước nhỏ hơn.

Cách tiếp cận truyền thống về Bảo vệ Chống Đảo Cực

Ngay từ khi bắt đầu phát triển các thiết bị di động sử dụng pin, một thách thức đối với các nhà thiết kế đã là đảm bảo bảo vệ hiệu quả chống ngược cực mà vẫn giảm thiểu mất mát năng lượng. Phương pháp cổ điển để bảo vệ chống ngược cực bao gồm việc sử dụng một diode chỉnh lưu nối tiếp với nguồn cung cấp như được trình bày trong Hình 1. Những diode này, được đặt trong mạch nguồn cung cấp, cho phép dòng điện chỉ chảy theo một hướng, do đó ngăn chặn hư hỏng thiết bị do ngược cực. Bước đầu tiên hướng tới tối ưu hóa, cải thiện hiệu suất khoảng 50%, bao gồm việc thay thế diode chỉnh lưu bằng diode Schottky, giảm sụt áp từ 0.6-0.7V xuống còn khoảng 0.3-0.4V. Mặc dù đây là phương pháp thường được sử dụng, nó có những hạn chế của mình, như sụt áp và mất mát năng lượng. Mặc dù đã phát triển các diode chuyên biệt cho ứng dụng pin với sụt áp 250-300mV (ở dòng điện thấp), giải pháp cổ điển vẫn còn xa mới được tối ưu.

Hình 1: Bảo vệ Chống Ngược Cực Cổ Điển

Phương pháp được trình bày trong Hình 1 đã được chấp nhận trong một thời gian dài đối với các thiết bị sử dụng pin tiết kiệm năng lượng, với việc mất mát năng lượng được coi như là "tính vào chi phí" của những thiết bị như vậy. Tuy nhiên, giải pháp này hoàn toàn không phù hợp với các thiết bị tiêu thụ năng lượng cao hơn. Các ví dụ về những thiết bị như vậy bao gồm các thiết bị ô tô được thiết kế để tự lắp đặt, như máy bộ đàm CB, hệ thống âm thanh ô tô và hệ thống đa phương tiện. Trong những trường hợp này, thường sử dụng một diode đầu vào song song với bộ thu được cấp nguồn, như được hiển thị trong Hình 2. Thật không may, cấu hình này không cung cấp 100% bảo vệ chống lại hư hỏng mạch trong trường hợp cực tính bị đảo ngược.

Hình 2: Bảo vệ chống đảo cực được sử dụng trong các thiết bị dòng cao

Bảo vệ Chống Đảo Cực Sử Dụng Transistor MOSFET

Với sự phổ biến và khả năng tiếp cận của transistor MOSFET, một giải pháp hiệu quả đã xuất hiện dưới dạng MOSFET được sử dụng trong cấu hình diode, như được hiển thị trong Hình 3.

Hình 3: MOSFET như bảo vệ chống đảo cực:

A) Sử dụng MOSFET kênh P B) Sử dụng MOSFET kênh N

Cấu hình diode lý tưởng cung cấp một sự giảm điện áp thấp, được xác định bởi giá trị RDS(ON) của transistor và dòng tải. Ví dụ, với dòng điện 1 A và RDS(ON)=10 mΩ, sự giảm điện áp qua transistor chỉ là 10 mV. Giá trị này là không đáng kể so với sự giảm điện áp qua một diode thông thường (600 mV) hoặc một diode Schottky (350 mV).

Cấu hình được hiển thị trong Hình 3, sử dụng một transistor MOSFET, có một nhược điểm không đáng kể từ góc độ bảo vệ cực ngược của thiết bị, nhưng làm cho nó không thể gọi cấu hình trên là một diode lý tưởng. Nếu một điện áp có thể mở MOSFET xuất hiện ở phía tải, thì một điện áp sẽ xuất hiện ở đầu vào. Do đó, khi sử dụng một pin hoặc các dung lượng lớn ở phía tải (như được hiển thị trong Hình 4), một mạch bổ sung hoặc một trình điều khiển chuyên dụng có sẵn trên thị trường là cần thiết.

Hình 4: Mạch ngừng hoạt động khi dung lượng lớn hoặc một điện áp có thể mở transistor xuất hiện ở phía tải

Trên thị trường, chúng ta có thể tìm thấy nhiều giải pháp sẵn có hoạt động như bộ điều khiển cho các diode lý tưởng, như:

• DZDH0401DW từ Diodes Incorporated cung cấp chức năng tắt MOSFET khi có sự chênh lệch điện áp giữa nguồn vào và tải khoảng 34mV.
• MAX16171 từ Maxim Integrated là một bộ điều khiển diode lý tưởng tiên tiến bao gồm bảo vệ chống dòng điện ngược.
• LM66100 từ Texas Instruments là một diode lý tưởng hoàn chỉnh với MOSFET tích hợp, cung cấp một giải pháp sẵn sàng sử dụng cho các hệ thống được cấp nguồn bởi nguồn 5V.

Kết luận

Phương pháp bảo vệ chống đảo cực truyền thống đã phục vụ mục đích của nó, việc sử dụng MOSFETs mang lại một phương án thay thế hiệu quả và hiệu quả hơn, mở đường cho những tiến bộ trong thiết kế nguồn cung cấp và hiệu suất năng lượng. Đối với bảo vệ chống đảo cực cổ điển, như trong các thiết bị sử dụng pin hoặc được cấp nguồn từ bên ngoài, một mạch đơn giản sử dụng một transistor MOSFET duy nhất là đủ. Tuy nhiên, để tăng cường độ tin cậy và duy trì các tính chất của một diode đặt ở ngõ vào, cần sử dụng các mạch tiên tiến hơn có sẵn trên thị trường từ nhiều nhà sản xuất với giá cả rất thấp.