ใช้ประโยชน์จากไดโอดในอุดมคติที่มี MOSFET แบบบูรณาการ

เทคโนโลยีไดโอดในอุดมคติให้ประโยชน์มากมายแก่แอปพลิเคชันอิเล็กทรอนิกส์ เช่น การลดแรงดันไฟฟ้า การควบคุมระบบที่ดีขึ้น และคุณสมบัติการป้องกันที่แข็งแกร่ง นักออกแบบผลิตภัณฑ์สามารถใช้ประโยชน์จากศักยภาพทั้งหมดของโซลูชันขั้นสูงเหล่านี้เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ที่มีประสิทธิภาพ กะทัดรัด และแข็งแกร่งยิ่งขึ้น แต่การเลือกไดโอดในอุดมคติที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานต้องอาศัยการหาสมดุลของปัจจัยหลายประการ รวมถึงประสิทธิภาพทางไฟฟ้า การพิจารณาทางความร้อน ความน่าเชื่อถือ ต้นทุน และความสอดคล้อง

ไดโอดแบบดั้งเดิมจะแสดงค่าแรงดันตกตั้งแต่ 0.6V ถึง 0.7V โดยไดโอดชอตต์กี้จะลดลงประมาณ 0.3V ในแอปพลิเคชั่นที่มีกระแสไฟสูง การลดลงดังกล่าวอาจนำไปสู่การสูญเสียพลังงานอย่างมาก ไดโอดในอุดมคติ (รูปที่ 1) จะใช้สวิตช์ไฟฟ้าที่มีความต้านทานเปิดต่ำ โดยทั่วไปจะเป็น MOSFET เพื่อเลียนแบบพฤติกรรมการไหลของกระแสไฟฟ้าแบบทิศทางเดียวของไดโอด แต่ไม่มีค่าปรับการลดแรงดันไฟของไดโอดที่มีการสูญเสีย

รูปที่ 1: แผนภาพนี้แสดงให้เห็นความแตกต่างระหว่างวงจรไดโอด (บน) และวงจรไดโอดในอุดมคติ (ที่มาของภาพ: Analog Devices, Inc.)

ตัวอย่างเช่น MOSFET 10mΩ ที่โหลด 1A มีการลดลงเพียง 10mV เมื่อเทียบกับการลดลง 600mV ทั่วไดโอดมาตรฐาน การลดลงของแรงดันไฟฟ้านี้ยังส่งผลให้การสูญเสียพลังงานลดลงอย่างมีนัยสำคัญอีกด้วย โหลด 1A ข้าม MOSFET 10mΩ จะสูญเสียพลังงาน 10mW เมื่อเทียบกับ 600mW ที่สูญเสียโดยไดโอดทั่วไป

ด้วย MOSFET และวงจรควบคุมแบบแบ็คทูแบ็คเพิ่มเติม โซลูชันไดโอดในอุดมคติแบบรวมสามารถเสนอฟังก์ชันขั้นสูงต่างๆ มากมาย รวมถึงการเลือกแหล่งกำเนิดที่มีลำดับความสำคัญ การจำกัดกระแส และการจำกัดกระแสไฟกระชาก ซึ่งช่วยเพิ่มความซับซ้อนให้กับการจัดการพลังงาน โดยทั่วไปจะต้องใช้ตัวควบคุมที่แตกต่างกัน ทำให้การปกป้องระบบทั้งหมดเป็นเรื่องซับซ้อนและยุ่งยาก แต่การเพิ่ม MOSFET แบบติดต่อกันให้กับโซลูชันไดโอดในอุดมคติ (รูปที่ 2) จะทำให้สามารถควบคุมระบบทั้งหมดได้ด้วยการเปิดใช้งานการเปิด/ปิด MOSFET ตัวใดตัวหนึ่งหรือทั้งสองตัว หรือโดยการจำกัดกระแสไฟ

รูปที่ 2: แผนผังของโซลูชันไดโอดในอุดมคติที่ใช้ MOSFET แบบแบ็คทูแบ็คเพื่อฟังก์ชันและการควบคุมขั้นสูง (แหล่งที่มาของภาพ: Analog Devices, Inc.)

โซลูชันแบบบูรณาการให้การปกป้องที่แข็งแกร่งต่อความผิดพลาดทั่วไปของระบบ จึงช่วยลดระยะเวลาหยุดทำงานของระบบ คุณสมบัติ เช่น เกณฑ์การล็อกแรงดันต่ำที่ปรับได้ (UVLO) และเกณฑ์การล็อกแรงดันเกิน (OVLO) ขีดจำกัดกระแสไฟที่ตั้งโปรแกรมได้ และการป้องกันการปิดระบบเนื่องจากความร้อน ช่วยให้แน่ใจว่าระบบจะยังคงทำงานได้แม้จะอยู่ภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย โซลูชันแบบรวมยังช่วยลดจำนวนส่วนประกอบและพื้นที่บอร์ดที่จำเป็นได้อีกด้วย

การแทนที่ไดโอด Schottky แบบเดิมด้วยโซลูชันที่รวม MOSFET ช่วยลดการสูญเสียพลังงานได้อย่างมาก จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับแหล่งจ่ายไฟอุตสาหกรรม ระบบที่ใช้แบตเตอรี่ และ OR พลังงานซ้ำซ้อนในแอปพลิเคชันโทรคมนาคมและศูนย์ข้อมูล นอกจากนี้ยังช่วยให้มั่นใจได้ว่าการป้องกันอินพุตย้อนกลับ ป้องกันความเสียหายจากการกลับขั้วโดยไม่ได้ตั้งใจ

ความท้าทายในการเลือกไดโอดที่เหมาะสม

โซลูชันไดโอดในอุดมคติแบบรวมได้รับการออกแบบมาเพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพในแอพพลิเคชั่นต่างๆ

แต่นักออกแบบที่พยายามเลือกไดโอดในอุดมคติต้องเผชิญกับความท้าทายมากมาย เช่น การจัดการความร้อน การจัดการกระแสไฟฟ้า ค่าแรงดันไฟฟ้า ความซับซ้อนของการผสานรวม ต้นทุน และความพร้อมใช้งานของส่วนประกอบ:

• แม้ว่าไดโอดในอุดมคติจะลดการสูญเสียพลังงาน แต่การจัดการความร้อนยังคงเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องพิจารณา นักออกแบบจะต้องแน่ใจว่าไดโอดสามารถรองรับภาระความร้อนได้โดยไม่กระทบประสิทธิภาพการทำงาน การระบายความร้อนและการออกแบบเชิงความร้อนที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญเพื่อป้องกันความร้อนมากเกินไป
• ความสามารถในการจัดการกระแสไฟฟ้าของไดโอดจะต้องสามารถจัดการโหลดกระแสไฟฟ้าที่คาดหวังของแอพพลิเคชั่นได้โดยไม่เกินขีดจำกัดที่กำหนด ซึ่งเกี่ยวข้องกับการประเมิน RDS_(ON) ของไดโอด และการตรวจสอบให้แน่ใจว่ายังคงอยู่ในขีดจำกัดที่ยอมรับได้ภายใต้สภาวะโหลดสูงสุด
• แรงดันไฟฟ้าของไดโอดจะต้องเพียงพอที่จะทนต่อระดับแรงดันไฟฟ้าสูงสุดในการใช้งาน นักออกแบบจำเป็นต้องพิจารณาค่าแรงดันตกไปข้างหน้าและค่าแรงดันย้อนกลับเพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เชื่อถือได้
• แม้ว่าโซลูชันแบบบูรณาการจะมีประโยชน์มากมาย แต่ก็อาจทำให้กระบวนการออกแบบมีความซับซ้อนได้เช่นกัน นักออกแบบจะต้องแน่ใจว่าคุณลักษณะแบบบูรณาการทั้งหมด เช่น UVLO, OVLO และขีดจำกัดกระแสไฟฟ้า ได้รับการกำหนดค่าอย่างเหมาะสม ซึ่งอาจต้องใช้เวลาออกแบบและทดสอบเพิ่มเติม
• นักออกแบบจะต้องชั่งน้ำหนักผลประโยชน์ของการผสานรวมกับต้นทุนที่เพิ่มขึ้น และพิจารณาว่าฟังก์ชันการทำงานที่เพิ่มเข้ามานั้นคุ้มค่ากับค่าใช้จ่ายหรือไม่
• นักออกแบบจะต้องแน่ใจว่าไดโอดที่เลือกนั้นพร้อมใช้งานและไม่มีข้อจำกัดในห่วงโซ่อุปทานที่จะส่งผลกระทบต่อกำหนดการผลิต

การใช้ประโยชน์จากโซลูชันแบบบูรณาการ

บริษัท Analog Devices, Inc. (ADI) ผู้นำด้านโซลูชันการจัดการพลังงาน นำเสนอชุดผลิตภัณฑ์ตัวควบคุมไดโอดในอุดมคติที่ใช้ประโยชน์จากการออกแบบที่ใช้ MOSFET โซลูชันแบบบูรณาการของบริษัทช่วยลดการสูญเสียพลังงาน ปรับปรุงประสิทธิภาพความร้อน และเพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบ ทำให้โซลูชันเหล่านี้มีความจำเป็นสำหรับอุตสาหกรรม ยานยนต์ โทรคมนาคม และการใช้งานที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่

โซลูชันแบบรวมผสานฟังก์ชันการทำงานของไดโอดในอุดมคติเข้ากับคุณลักษณะการป้องกันระบบเพิ่มเติม เช่น การป้องกันแรงดันไฟเกิน แรงดันไฟต่ำ การเปลี่ยนขณะร้อน และ eFuse ทั้งหมดนี้รวมอยู่ใน IC ตัวเดียว ก่อนหน้านี้ ฟังก์ชันเหล่านี้ถูกกระจายไปยังตัวควบคุมต่างๆ ซึ่งทำให้การป้องกันระบบเต็มรูปแบบมีความซับซ้อน

ตัวควบคุมไดโอดในอุดมคติของ ADI เช่น MAX17614 (รูปที่ 3) ผสานรวมการป้องกันอินพุตย้อนกลับขั้นสูง ความสามารถในการสลับอย่างรวดเร็ว และการจัดการแรงดันไฟฟ้าสูง ช่วยให้สำรองพลังงานได้อย่างราบรื่นและปรับปรุงประสิทธิภาพพลังงาน MAX17614 เป็นโซลูชันที่มีการผสานรวมอย่างสูงซึ่งมอบไดโอดในอุดมคติประสิทธิภาพสูงพร้อมฟังก์ชั่นอื่นๆ อีกมากมายในวงจรรวมเดียวเพื่อปกป้องระบบไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์

MAX17614 นำเสนอการป้องกันการบล็อกกระแสย้อนกลับที่ 140ns, คามสำคัญสูง ซึ่งสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของระบบโดยรวมได้ รวมฟังก์ชั่นการเลือกแหล่งจ่ายไฟแบบไดโอด/ลำดับความสำคัญที่เหมาะสมเข้ากับการจำกัดกระแสไฟที่ปรับได้ การสลับแบบฮ็อต eFuse การป้องกันแรงดันไฟต่ำ (UV) และแรงดันไฟเกิน (OV)

รูปที่ 3: อุปกรณ์เลือกไดโอด/แหล่งจ่ายไฟในอุดมคติ MAX17614 ของ ADI (แหล่งที่มาของภาพ: Analog Devices, Inc.)

ขนาดโซลูชันที่ใหญ่ขึ้น

โซลูชันไดโอดในอุดมคติแบบรวมช่วยลดจำนวนส่วนประกอบและพื้นที่บอร์ดที่จำเป็น ตัวอย่างเช่น MAX17614 ที่มีทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม N-channel แบบบูรณาการ (NFET) สองตัว ช่วยลดขนาดโซลูชันได้ถึง 40%

NFET แบบรวมจะเชื่อมต่อแบบอนุกรมโดยมีค่า RDS_{(เปิด)} ทั่วไปสะสมต่ำที่ 130mΩ สามารถนำไปใช้งานเพื่อควบคุมฟังก์ชันไดโอดในอุดมคติที่ประกอบด้วยแรงดันไฟฟ้าขาเข้าแบบย้อนกลับและการป้องกันกระแสย้อนกลับ พร้อมทั้งเพิ่มประสิทธิภาพระบบให้ดียิ่งขึ้น สามารถตั้งโปรแกรมการป้องกันรังสี UV ขาเข้าได้ระหว่าง 4.5V ถึง 59V ในขณะที่การป้องกัน OV สามารถตั้งโปรแกรมได้อย่างอิสระระหว่าง 5.5V ถึง 60V นอกจากนี้ อุปกรณ์ยังมีค่าเกณฑ์การเพิ่มขึ้นของรังสี UVLO เริ่มต้นภายในที่ตั้งไว้ที่ 4.2V (ทั่วไป)

ความกะทัดรัดของ MAX17614 เป็นประโยชน์อย่างยิ่งในแอปพลิเคชันที่มีพื้นที่จำกัด ด้วยเวลาตอบสนองที่รวดเร็ว ความสามารถแรงดันไฟฟ้าสูง และการสูญเสียพลังงานที่น้อยที่สุด จึงได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นที่นิยมในการใช้ในระบบพลังงานแสงอาทิตย์ การจ่ายพลังงานผ่าน USB-C ระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรม และอุปกรณ์ทางการแพทย์ ซึ่งการจัดการพลังงานที่มีประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือเป็นสิ่งสำคัญ

เมื่อเปรียบเทียบกับ MOSFET แบบแยกส่วน NFET แบบบูรณาการได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการจัดการความร้อน โดยลดความจำเป็นในการใช้ส่วนประกอบระบายความร้อนเพิ่มเติม นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถสลับระหว่างแหล่งพลังงานได้อย่างรวดเร็วในแอพพลิเคชั่น OR พลังงานซ้ำซ้อนที่ใช้สำหรับโซลูชันโทรคมนาคมและศูนย์ข้อมูล NFET ยังให้การป้องกันอินพุตย้อนกลับ ป้องกันความเสียหายจากการเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้าที่ไม่ถูกต้องหรือการป้อนกลับ

ด้วย NFET ที่ผสานรวม รายการวัสดุ (BOM) และเค้าโครง PCB จะเรียบง่ายขึ้น เนื่องจากผู้ออกแบบไม่จำเป็นต้องค้นหาและเลือก MOSFET ภายนอก พวกเขาสามารถใช้ประโยชน์จากจำนวนส่วนประกอบที่ลดลงเพื่อสร้างการออกแบบที่เล็กลงและกะทัดรัดยิ่งขึ้น

ADI ยังนำเสนอชุดประเมิน MAX17614EVKIT สำหรับให้นักออกแบบทดสอบและรวมตัวควบคุมไดโอดในอุดมคติ MAX17614 เข้ากับโซลูชันการจัดการพลังงานของพวกเขา บอร์ดประเมินผลจัดให้มีแพลตฟอร์มสำหรับประเมินประสิทธิภาพ พฤติกรรมการสลับ และคุณลักษณะการป้องกันของไดโอดในอุดมคติแบบ NFET แบบบูรณาการ

EVKIT ช่วยให้สามารถสร้างต้นแบบโซลูชันเส้นทางพลังงานที่มีประสิทธิภาพสำหรับแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น แหล่งจ่ายไฟอุตสาหกรรม ระบบจัดการแบตเตอรี่ และ OR พลังงานซ้ำซ้อนในแอปพลิเคชันโทรคมนาคมและเซิร์ฟเวอร์ ชุดนี้ช่วยให้วิเคราะห์พฤติกรรมของแรงดันไฟและกระแสไฟภายใต้สภาวะโหลดที่แตกต่างกันได้ เพื่อช่วยให้แน่ใจว่ามีการเลือกส่วนประกอบและเค้าโครงการออกแบบที่เหมาะสมที่สุด ดังนั้น นักออกแบบจึงสามารถตรวจสอบประสิทธิภาพของวงจรได้ก่อนที่จะเริ่มพัฒนา PCB เต็มรูปแบบ

บทสรุป

เทคโนโลยีไดโอดในอุดมคติให้การควบคุมเส้นทางพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงและมีการสูญเสียต่ำสำหรับการใช้งานต่างๆ รวมถึงการสูญเสียพลังงานที่ลดลง การลดแรงดันไฟตก และประสิทธิภาพความร้อนที่ดีขึ้น ไดโอดในอุดมคติช่วยปรับปรุงความน่าเชื่อถือของระบบและลดความซับซ้อนในการออกแบบ PCB โดยการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ลดการเกิดความร้อน และขจัดความจำเป็นในการใช้แผงระบายความร้อนขนาดใหญ่ MAX17614 ของ ADI และบอร์ดประเมินผลที่ช่วยให้ผู้ออกแบบสามารถสร้างโซลูชันพลังงานที่มีขนาดเล็กลง มีประสิทธิภาพมากขึ้น และแข็งแกร่งยิ่งขึ้นในแอพพลิเคชั่นที่หลากหลาย