נצלו את היתרון של דיודות אידיאליות עם רכיבי MOSFETs‏ משולבים

טכנולוגיית דיודה אידיאלית מעניקה יתרונות רבים עבור יישומי אלקטרוניקה, כולל מפלי מתח מופחתים, בקרת מערכת משופרת ומאפייני הגנה חסונים. מתכנני מוצרים יכולים למנף את מלוא הפוטנציאל של פתרונות מתקדמים אלה כדי ליצור מוצרים יעילים, קומפקטיים וחסונים יותר. אך בחירת הדיודה האידיאלית הנכונה עבור יישום דורשת מציאת איזון בין מספר גורמים, כולל ביצועים חשמליים, שיקולים תרמיים, אמינות, עלות ותאימות.

דיודות מסורתיות מציגות מפל מתח הנע בין 0.6 וולט ל-0.7 וולט, כאשר בדיודות שוטקי (Schottky‏) מפל המתח הוא בערך 0.3 וולט. ביישומי זרם גבוה, מפלים אלו עלולים להוביל להפסדי הספק משמעותיים. דיודה אידיאלית (איור 1) משתמשת במתג הספק עם התנגדות מצב-מופעל נמוכה, בדרך כלל MOSFET, כדי לחקות את התנהגות זרימת הזרם החד-כיוונית של דיודה, אך ללא החיסרון של מפל מתח עם הפסדים של הדיודה.

איור 1: תרשים זה ממחיש את ההבדלים בין מעגלי דיודה (למעלה) לבין דיודה אידיאלית. (מקור התמונה: Analog Devices, Inc.)

ל-MOSFET של mΩ‏ 10‏ בעומס של A‏ 1‏, לדוגמה, יש מפל מתח של mV‏ 10‏ בלבד בהשוואה למפל מתח טיפוסי של mV‏ 600‏ על פני דיודה סטנדרטית. הפחתה זו במפל המתח מתורגמת גם לפיזור הספק נמוך יותר משמעותית. עומס של A‏ 1‏ על פני MOSFET של mΩ‏ 10‏ מפזר mW‏ 10‏, בהשוואה ל-mW‏ 600‏ שמפוזרים על ידי דיודה רגילה.

עם MOSFETs גב-אל-גב ומעגלי בקרה נוספים, פתרון דיודה אידיאלי משולב יכול להציע פונקציות מתקדמות יותר, כולל בחירת מקור בעדיפות, הגבלת זרם והגבלת זרם התנעה, תוך הוספת שכבה של תחכום לניהול הספקת-הכוח. באופן מסורתי זה הצריך בקרים שונים שהפכו את מימוש הגנה מלאה למערכת למורכב ומסורבל, אך הוספת MOSFETs גב-אל-גב לפתרון דיודה אידיאלי (איור 2) מעניקה בקרת מערכת מלאה על ידי אפשור הפעלה/כיבוי של אחד או שני ה-MOSFETs, או על ידי הגבלת הזרם.

איור 2: תרשים של פתרון דיודה אידיאלי המשתמש ב-MOSFETs‏ גב-אל-גב עבור פונקציונליות ובקרה מתקדמים. (מקור התמונה: Analog Devices, Inc.)

פתרונות משולבים מעניקים הגנה חסונה מפני תקלות מערכת נפוצות, ובכך מפחיתים את זמן ההשבתה של המערכת. מאפיינים כמו ספים מתכווננים של נעילת תת-מתח (UVLO) ונעילת מתח-יתר (OVLO), גבולות זרם ניתנים-לתכנות והגנת כיבוי-תרמי מבטיחים שהמערכות ימשיכו לפעול אפילו בתנאים קשים. פתרונות משולבים יכולים גם לעזור למזער את מספר הרכיבים הנדרשים ואת גודל הלוח.

החלפת דיודות שוטקי מסורתיות בפתרון משולב-MOSFET מפחיתה משמעותית את פיזור ההספק והופכת לפתרון אידיאלי עבור ספקי-כוח תעשייתיים, מערכות מוזנות-סוללות ו-OR-ing‏ של הספקת-כוח יתירה ביישומי טלקום ומרכזי נתונים. זה גם יכול להבטיח הגנה על כניסה הפוכה, ולמנוע נזק מהיפוכי קוטביות מקריים.

אתגרים בבחירת הדיודה האידיאלית

פתרונות משולבים של דיודה אידיאלית מתוכננים להבטיח פעולה אמינה ויעילה ביישומים.

אך המתכננים המנסים לבחור דיודה אידיאלית מתמודדים עם מגוון של אתגרים, כולל ניהול תרמי, טיפול בזרם, דירוג מתח, מורכבות האינטגרציה ועלות וזמינות הרכיבים:

• למרות שדיודות אידיאליות מפחיתות את פיזור ההספק, ניהול תרמי נותר שיקול מכריע. על המתכננים להבטיח שהדיודה תוכל להתמודד עם העומס התרמי מבלי לפגוע בביצועים. פיזור חום ותכן תרמי מתאימים הם חיוניים למניעת התחממות-יתר.
• יכולת הטיפול בזרם של הדיודה חייבת להיות מסוגלת לנהל את עומסי הזרם הצפויים של היישום מבלי לחרוג מהגבולות הנומינליים. זה כרוך בהערכת _(ON‏)RDS‏ של הדיודה והקפדה על כך שהיא נותרת בגבולות סבירים בתנאי עומס מקסימלי.
• דירוג המתח של הדיודה חייב להיות מספיק כדי לעמוד ברמות המתח המקסימליות ביישום. המתכננים צריכים להביא בחשבון הן את ירידת המתח הקדומני והן את דירוג המתח ההפוך כדי להבטיח פעולה אמינה.
• בעוד שפתרונות משולבים מציעים יתרונות רבים, הם יכולים גם להוסיף מורכבות לתהליך התכנון. המתכננים חייבים להבטיח שכל המאפיינים המשולבים, כגון UVLO, OVLO וגבולות הזרם, מוגדרים כראוי, הדורש זמן תכנון ובדיקה נוסף.
• על המתכננים לשקול את היתרונות של האינטגרציה מול העלות הנוספת ולקבוע אם הפונקציונליות הנוספת מצדיקה את ההוצאה.
• על המתכננים לוודא שהדיודה שנבחרה זמינה בקלות ושאין אילוצי שרשרת אספקה העלולים להשפיע לרעה על לוחות הזמנים של הייצור.

ניצול פתרונות משולבים

.Analog Devices, Inc‏ (ADI‏), מובילה בפתרונות ניהול הספקת-כוח, מציעה פורטפוליו של בקרי דיודות אידיאליות הממנפים תכנים מבוססי-MOSFET‏. הפתרונות המשולבים של החברה ממזערים את פיזור ההספק, משפרים את הביצועים התרמיים ומשפרים את אמינות המערכת, והופכים אותם לחיוניים עבור יישומים מוזני-סוללות, תעשייתיים, רכב וטלקום.

פתרונות משולבים ממזגים פונקציונליות אידיאלית של דיודה עם מאפייני הגנת מערכת נוספים כגון מתח-יתר, תת-מתח, החלפה חמה והגנת eFuse‏, הכול בתוך IC יחיד. בעבר, פונקציות אלה היו מפוזרות על פני בקרים שונים, מה שסיבך את מימוש הגנת המערכת המלאה.

בקרי הדיודות האידיאליות של ADI, כגון MAX17614‏ (איור 3), משלבים הגנת כניסה הפוכה מתקדמת, יכולות מיתוג מהיר וטיפול במתח גבוה, המאפשרים יתירות הספקת-כוח חלקה ונצילות אנרגטית משופרת. ה-MAX17614 הוא פתרון משולב ביותר המספק דיודה אידיאלית בעלת ביצועים גבוהים עם מספר פונקציות אחרות במעגל משולב יחיד כדי להגן באופן מלא על מערכת הספקת-הכוח.

ה-MAX17614 מציע הגנת חסימת זרם הפוך של ns‏ 140‏, המאפשרת שימוש בקבלי החזקת-מטען קטנים יותר ביישומי בורר מקור הספקת-כוח בעדיפות, ומשפרים את נצילות המערכת הכוללת. הוא משלב פונקציות בורר דיודה אידיאלית/מקור הספקת-כוח בעדיפות עם גבולות זרם מתכווננים, החלפה חמה, eFuse, והגנות תת-מתח (UV) ומתח-יתר (OV).

איור 3: התקן בורר דיודה אידיאלית/מקור הספקת-כוח בעדיפות MAX17614 של ADI. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

גודל פתרון קטן יותר

פתרונות דיודה אידיאלית משולבים ממזערים את מספר הרכיבים הנדרשים ואת שטח הלוח. לדוגמה, ה-MAX17614, עם שני טרנזיסטורי אפקט-שדה תעלת-N‏ (NFETs‏) מאפשר הקטנה של עד 40% בגודל הפתרון.

ה-NFETs המשולבים מחוברים בטור עם _(ON‏)RDS‏ טיפוסי קומולטיבי נמוך של mΩ‏ 130‏. ניתן להשתמש בהם כדי ליישם פונקציית דיודה אידיאלית הכוללת הגנות מתח כניסה הפוך זרם הפוך עם נצילות מערכת משופרת. ניתן לתכנת הגנת UV כניסה בין 4.5 וולט עד 59 וולט, בעוד שהגנת OV ניתן לתכנת באופן עצמאי בין 5.5 וולט עד 60 וולט. בנוסף, להתקן יש ברירת מחדל פנימית של סף עליית UVLO של 4.2 וולט (טיפוסי).

הקומפקטיות של ה-MAX17614 מועילה במיוחד ביישומים שבהם המקום מהווה שיקול עיקרי. עם זמן היענות מהיר, יכולת מתח גבוה והפסדי הספק מינימליים, הוא הוכח כפופולרי לשימוש במערכות אנרגיה סולארית, הספקת-כוח USB-C, אוטומציה תעשייתית וציוד רפואי, שבהם ניהול ואמינות הספקת-כוח יעילה הם קריטיים.

בהשוואה ל-MOSFETs בדידים, NFETs‏ משולבים הם אופטימליים עבור ניהול תרמי, ומפחיתים את הצורך ברכיבי קירור נוספים. הם גם מאפשרים מיתוג מהיר בין מקורות הספקת-כוח ביישומי OR-ing הספקת-כוח יתירים המשמשים עבור פתרונות טלקום ומרכזי נתונים. ה-NFETs מספקים גם הגנת כניסה הפוכה, ומונעים נזק מחיבורי מתח שגויים או הזנה אחורנית.

עם ה-NFETs המשולבים, מפרט החומרים (BOM) ופריסת ה-PCB מפושטים מכיוון שהמתכננים אינם צריכים לחפש ולבחור MOSFETs‏ חיצוניים. הם יכולים לנצל את מספר הרכיבים הקטן יותר כדי ליצור תכנים קטנים יותר וקומפקטיים יותר.

ADI מציעה גם את ערכת ההערכה MAX17614EVKIT‏ עבור המתכננים כדי לבדוק ולשלב את בקר הדיודה האידיאלית MAX17614 בתוך פתרונות ניהול הספקת-הכוח שלהם. לוח ההערכה מספק פלטפורמה להערכת הנצילות, התנהגות המיתוג ומאפייני ההגנה של הדיודה האידיאלית המשולבת מבוססת-NFET‏.

ה-EVKIT מאפשר בניית אב-טיפוס של פתרונות נתיבי הספקת-כוח יעילים עבור יישומים כגון ספקי כוח תעשייתיים, מערכות ניהול סוללות ו-OR-ing הספקת-כוח יתירה ביישומי טלקום ושרתים. הערכה מאפשרת ניתוח של התנהגות המתח והזרם בתנאי עומס שונים כדי לעזור להבטיח בחירת רכיבים ופריסה אופטימלית של התכן, כך שהמתכננים יכולים לוודא את ביצועי המעגל לפני שהם מתחייבים לפיתוח ה-PCB בקנה-מידה מלא.

סיכום

טכנולוגיית הדיודה האידיאלית מציעה בקרת נתיב הספקת-כוח עם נצילות גבוהה והפסדים נמוכים עבור היישומים, כולל פיזור הספק מופחת, מפל מתח נמוך יותר וביצועים תרמיים משופרים. הודות לשיפור הנצילות האנרגטית, הפחתת יצירת החום וביטול הצורך בצלעות-קירור מגושמות, דיודות אידיאליות משפרות את אמינות המערכת תוך פישוט תכן ה-PCB. ה-MAX17614 של ADI ולוח ההערכה הנלווה שלו מאפשרים למתכננים ליצור פתרונות הספקת-כוח קטנים יותר, יעילים יותר וחסונים ביותר במגוון רחב של יישומים.