搭配整合式 MOSFET，充分運用理想二極體的優勢

理想二極體技術為電子應用提供無數優勢，包括減少壓降、增強系統控制，以及強大的保護功能。產品設計師可以善用這些先進解決方案的潛力，創造更有效率、更緊湊、更耐用的產品。為應用選擇合適的理想二極體，需要取得多種因素的平衡，包括電氣效能、熱考量、可靠性、成本、合規性。

傳統二極體的壓降範圍介於 0.6 V 至 0.7 V，而肖特基二極體的壓降約為 0.3 V。在大電流應用中，這些壓降可能會導致嚴重的功率損耗。理想二極體 (圖 1) 使用低導通電阻電源開關 (通常是一個 MOSFET) 模擬二極體的單向電流流動行為，但不含二極體的壓降損失。

圖 1：此圖說明二極體 (上) 和理想二極體電路之間的差異 (圖片來源：Analog Devices, Inc.)

例如，在 1 A 負載下，10 mΩ MOSFET 僅有 10 mV 壓降，而標準二極體的典型壓降則為 600 mV。壓降的減少也代表功率耗散的顯著降低。10 mΩ MOSFET 上的 1 A 負載會耗散 10 mW，而普通二極體會耗散 600 mW。

搭配附加的背對背 MOSFET 和控制電路，整合式理想二極體解決方案可以提供更進階的功能；包括優先電源選擇、電流限制、湧入限制，提供更精細的電源管理。在傳統上，這些功能需要使用不同的控制器，因此若要達到完整的系統保護會更複雜且繁瑣；但在理想二極體解決方案中添加背對背 MOSFET (圖 2)，即可透過開啟／關閉一個或兩個 MOSFET，或藉由限制電流，提供全面的系統控制。

圖 2：理想二極體解決方案採用背對背 MOSFET，達到進階功能和控制 (圖片來源：Analog Devices, Inc.)

整合式解決方案可針對常見的系統故障提供強大的保護，進而減少系統停機時間。可調式欠壓鎖定 (UVLO) 和過壓鎖定 (OVLO) 閾值、可編程電流限制、熱關斷保護等功能，能確保系統即使在惡劣條件下也能正常運作。整合式解決方案還有助於達到最少所需組件數量並縮減電路板佔用空間。

使用 MOSFET 整合解決方案取代傳統的肖特基二極體，可明顯降低功耗，因此成為工業電源供應器、電池供電系統、電信和資料中心應用中備援電源 OR-ing 的理想選擇。此外，還具備逆向輸入保護，可防止意外極性反轉造成損害。

選擇理想二極體的挑戰

整合式理想二極體解決方案設計用於確保應用達到可靠且高效率的運作。

設計人員在選擇理想二極體時會面臨一系列挑戰，包括熱管理、電流處理、額定電壓、整合複雜性、成本、可用組件：

• 儘管理想二極體可降低功率耗散，熱管理仍然是一個重大考量因素。設計人員必須確保二極體能夠承受熱負載，而不會影響效能。適當的散熱和熱設計，是防止過熱的關鍵。
• 二極體的電流處理能力必須能夠管理應用的預期電流負載，而不超過額定限值。這涉及評估二極體的 RDS_(ON)，需確保能在最大負載條件下，保持在可接受的範圍內。
• 二極體的額定電壓必須足以耐受應用中的最大電壓等級。設計人員需要同時考慮順向壓降和逆向電壓額定值，以確保達到可靠運作。
• 雖然整合式解決方案可提供眾多優勢，但也會讓設計過程更複雜。設計人員必須確保所有整合功能 (如 UVLO、OVLO、電流限制) 都得到適當配置，這可能需要額外的設計和測試時間。
• 設計人員必須權衡整合所帶來的優點及對應的成本增加，並判定增添的功能是否值得其花費。
• 設計人員必須確保所選的二極體可取得，且沒有會對生產計劃造成影響的供應鏈限制。

善用整合式解決方案

Analog Devices, Inc. (ADI) 是電源管理解決方案的領導廠商，提供一系列基於 MOSFET 設計的理想二極體控制器。其整合式解決方案能大幅降低功耗、提高熱效能、增強系統可靠性，使其成為工業、汽車、電信、電池供電應用的必要元件。

整合式解決方案將理想二極體功能與附加系統保護功能 (如過壓、欠壓、熱抽換、電子保險絲保護) 融合在單一 IC 中。這些功能以往分散在各控制器中，使得實作全面的系統保護較複雜。

ADI 的理想二極體控制器，以 MAX17614 為例 (圖 3)，提供先進的逆向輸入保護、快速切換功能、高壓處理能力，可達到順暢的電源備援，並且能提高能源效率。MAX17614 是高度整合的解決方案，在單一積體電路中提供高效能理想二極體和多種其他功能，可全面保護電源系統。

MAX17614 提供 140 ns 的逆電流阻斷保護，允許在優先電源選擇器應用中使用較小的輸出保持電容，進而提高整體系統效率。結合理想二極體／優先電源選擇器功能與可調節電流限制、熱抽換、電子保險絲、欠壓 (UV) 和過壓 (OV) 保護。

圖 3：ADI 的 MAX17614 理想二極體／電源選擇器 (圖片來源：Analog Devices, Inc.)

更小的解決方案尺寸

整合理想二極體解決方案可大幅減少所需的元件數量和電路板空間。例如，MAX17614 含兩個整合的 N 通道場效電晶體 (NFET)，可使解決方案尺寸縮小 40%。

整合的 NFET 以串聯連接，具有 130 mΩ 的低累積典型 RDS_(on) 。可用於實作理想二極體功能，提供逆向輸入電壓和逆電流保護，同時提高系統效率。輸入欠壓保護可在 4.5 V 至 59 V 之間編程，而過壓保護可在 5.5 V 至 60 V 之間獨立編程。此外，此元件的內部預設 UVLO 上升閾值設定為 4.2 V (典型值)。

MAX17614 的緊湊性對於空間有限的應用尤其有利。由於其響應時間快、電壓能力高、功率損耗小，因此廣泛用於太陽能系統、USB-C 電力傳輸、工業自動化、醫療裝置等重視高效率電源管理和可靠性的領域。

相較於離散式 MOSFET，整合式 NFET 針對熱管理經過最佳化，減少對額外冷卻組件的需求。此外，還能在用於電信和資料中心解決方案的備援電源 OR-ing 應用中，在電源之間快速切換。NFET 還提供逆向輸入保護，防止因錯誤電壓連接或回饋造成的損壞。

利用整合的 NFET，得以簡化物料清單 (BOM) 和 PCB 佈局，因為設計人員不需要採購和選擇外部 MOSFET。可以使用較少的元件數，建立更小、更緊湊的設計。

ADI 也為設計人員提供 MAX17614EVKIT 評估套件，以測試 MAX17614 理想二極體控制器，並將其整合到其電源管理解決方案中。評估板提供一個平台，可評估整合式 NFET 架構理想二極體的效率、切換行為、保護功能。

EVKIT 可為工業電源供應器、電池管理系統，以及電信和伺服器應用中的備援電源 OR-ing 等應用，建立高效率電源路徑解決方案的原型設計。此套件可分析不同負載條件下的電壓和電流行為，有助於確保達到最佳組件選擇和設計佈局，讓設計人員開發全面 PCB 之前先行驗證電路效能。

結論

理想二極體技術為應用提供高效率、低損耗的電源路徑控制，包括降低功率耗散、達到最低壓降、提高熱效能。藉由提高能源效率、減少熱生成、消除對大型散熱片的需求，理想二極體可提高系統可靠性，同時簡化 PCB 設計。ADI 的 MAX17614 及其搭配的評估板，能讓設計人員在各式應用中建立更小、更高效率、高度穩定的電源解決方案。