Diodos ideales de tensión negativa (controladores diodo-OR)

Un diodo ideal (también conocido como controlador de diodo-OR y, más generalmente, como controlador PowerPath) es un sustituto robusto y de funcionalidad ampliada de un diodo de potencia discreto. Consiste en un MOSFET que sustituye al diodo para proporcionar un interruptor de baja caída de tensión y baja disipación de energía que conecta una fuente de alimentación a una carga (para más información, consulta el blog "Cartilla sobre controladores de la ruta de alimentación, diodos ideales y priorizadores"). El MOSFET puede ser un dispositivo de canal P o de canal N. Los dispositivos de canal N permiten una mayor corriente, pero requieren una tensión de accionamiento de la puerta superior a la tensión de alimentación para encenderse. Los dispositivos de canal P se encienden cuando la tensión de accionamiento de la puerta es inferior a la tensión de alimentación y, por tanto, no necesitan una tensión superior para funcionar, pero los dispositivos de canal P suelen tener una mayor resistencia de encendido. En el gráfico siguiente, se compara la caída de tensión de avance del controlador de diodos OR LTC4412 en función de la corriente con la de un diodo Schottky.

Linear Technology ofrece dos populares controladores diodo-OR de tensión de entrada negativa que utilizan un MOSFET de canal N externo para la conmutación de potencia. Estos dispositivos, el LTC4371 y el LTC4354, son controladores de diodo-OR de doble alimentación.

En los controladores de canal N de tensión positiva, el circuito de control de la puerta suele incluir una bomba de carga en el chip con una pinza de tensión (el diodo Zener de 17 V) para establecer el límite superior de la tensión de control de la puerta, como se muestra a continuación.

Con los reguladores de tensión negativos, el funcionamiento del circuito es similar, pero con una sutil diferencia. A continuación se muestra un diodo ideal de tensión negativa simplificado.

Curiosamente, no tiene el circuito de la bomba de carga. A primera vista, esto puede parecer extraño, pero tras examinar el funcionamiento del circuito, la razón se hace evidente cuando se examina el papel que desempeña la polaridad de la tensión. Para encender un MOSFET de canal N, necesitas una tensión de puerta superior a la de drenaje. Como se trata de tensiones negativas, una tensión más alta es una tensión más cercana a cero.

Observa ahora cómo se incorpora el diagrama de bloques a un dispositivo real, el LTC4371 que se muestra a continuación. Fíjate en el diodo Zener de 12,4 V entre el V_Z y V_SS. Este Zener limita la caída de tensión a través del CI, y esta caída de tensión también proporciona la tensión "superior" necesaria para encender el MOSFET. Si, por ejemplo, V_SS es -48V, entonces V_DD será de unos -36V, que se aplican a la patilla de la puerta del MOSFET (la tensión de retroalimentación, RTN, es de 0V). De la descripción de los pines de la puerta del LTC4371 en la hoja de datos, vemos que los pines de la puerta (GA y GB) son salidas de control de la puerta que funcionan entre V_SS y V_DD para controlar sus puertas MOSFET asociadas, permitiendo que el dispositivo se comporte como un interruptor de diodo de bajas pérdidas.

Una ventaja de los diodos ideales sobre los diodos discretos es la funcionalidad adicional. El LTC4371 tiene una arquitectura flotante que permite utilizarlo en aplicaciones de tensión negativa con tensiones en el rango de cientos de voltios negativos. El LTC4371 también incluye diodos Zener en los pines de drenaje que proporcionan una protección transitoria de 100V y -40V sin necesidad de resistencias adicionales (se puede aumentar hasta ±300V y más con una selección adecuada de R_DA y R_DB); e incluye un interruptor indicador de fallo de drenaje abierto que puede utilizarse para indicar cuando el MOSFET falla en circuito abierto.

En resumen, los controladores de diodos ideales son un sustituto mejorado, de bajas pérdidas y alta funcionalidad de los diodos discretos. Con los diodos ideales de tensión negativa, la tensión debida a la caída a través del CI proporciona la mayor tensión necesaria para potenciar los MOSFET de canal N externos, eliminando la necesidad de una bomba de carga. Linear Technology ofrece una amplia gama de controladores de diodo ideal-OR para tensiones positivas y negativas; algunos con MOSFETs internos, otros que requieren MOSFETs externos; algunos dispositivos de canal P, otros de canal N. Sea cual sea el elemento de conmutación, todos ellos sustituyen a los diodos de potencia o Schottky estándar por diodos de baja disipación de potencia y baja caída de tensión. Además, muchos de ellos controlan la corriente y muestran un indicador de estado cuando el interruptor está "encendido", lo que proporciona un alto nivel de protección y control de los circuitos de conmutación de potencia.