Introducción a los controladores PowerPath, diodos ideales y priorizadores

Los sistemas electrónicos alimentados por múltiples fuentes de CC son comunes: incluyen dispositivos portátiles (puerto USB y batería), instrumentos portátiles (adaptador de pared y batería) y servidores de alta disponibilidad (rieles de suministro principales y redundantes/auxiliares). Seleccionar el suministro de entrada correcto para alimentar el sistema no es una tarea trivial, ya que una implementación incorrecta oscila entre los suministros, provoca apagones o daña los suministros de entrada al permitir la corriente inversa. PowerPath de tecnología lineal^™ Los controladores simplifican esta tarea de selección dinámica de suministro.

Un sistema de alimentación de entrada múltiple tiene interruptores que multiplexan los suministros de entrada a una carga de salida común. Un controlador PowerPath es básicamente lo que su nombre indica: selecciona y controla la ruta por la que fluye la energía hacia el sistema. El controlador selecciona la fuente de entrada según el voltaje más alto o la prioridad más alta; el primer tipo se denomina diodo ideal, mientras que el segundo se denomina priorizador. Los controladores PowerPath emplean interruptores MOSFET de canal P o N integrados o externos, únicos o consecutivos, para multiplexar hasta tres suministros de entrada a la carga de salida común. Se multiplexan más de tres suministros empleando múltiples controladores.

Los diodos ideales son MOSFET con un circuito de control a su alrededor (Figura 2), que se encienden con una caída de voltaje baja (por debajo de 50 mV) en la condición de polarización directa (voltaje de entrada mayor que el voltaje de salida) y se apagan cuando se polarizan inversamente (voltaje de entrada menor que tensión de salida). Los diodos ideales (también conocidos como diodos activos) reducen el voltaje y las pérdidas de potencia en un factor de diez o más en comparación con los diodos Schottky de potencia. Los requisitos de disipación de calor se minimizan, lo que genera una solución compacta. Las aplicaciones de suministro de bajo voltaje (5 V, 3,3 V o menos) obtienen un mayor margen de voltaje. Los diodos ideales también incluyen características adicionales de monitoreo y protección que no están disponibles con los diodos estándar. Al igual que los diodos convencionales, los diodos ideales combinan suministros (diodo-OR) para proporcionar redundancia en caso de falla de entrada o cortocircuito. Además, se pueden usar para detener el suministro de salida durante caídas de voltaje de entrada, protección de batería inversa (LTC4359) o equilibrar las corrientes de suministro (LTC4370).

La caída de voltaje a través de un diodo ideal se puede calcular como I_CARGA • R_{DS (ENCENDIDO)}. Para un R de 5 mΩ_{DS (ENCENDIDO)} MOSFET con corriente de carga de 10 A, la caída de voltaje de diodo ideal se calcula en 50 mV. La Tabla 1 compara esta pérdida de voltaje con la caída típica de 500 mV de un diodo Schottky de potencia, a diferentes voltajes de suministro de entrada. Como se muestra, la caída de voltaje de un diodo Schottky se vuelve intolerable con voltajes de suministro bajos, lo que consume una parte significativa del voltaje operativo. Un diodo ideal es la única solución factible a voltajes de entrada bajos.

La disipación de potencia ideal del diodo se calcula como I_CARGA² • R_{DS (ENCENDIDO)}mientras que para el diodo Schottky de 0.5V se calcula como 0.5V • I_CARGA. La Figura 3 compara la disipación de potencia de estos dos diodos: el ahorro de potencia ideal del diodo aumenta con la corriente de carga, eliminando o reduciendo los disipadores de calor para ahorrar espacio en la placa.

Hay dos métodos para construir un diodo ideal: uno emplea comparadores, mientras que el otro usa un servoamplificador lineal. La técnica basada en el comparador permite la corriente inversa de CC (que posiblemente dañe la fuente de alimentación) o oscila entre encendido y apagado con corrientes de carga ligeras o durante el cambio de suministro, inyectando ruido en el sistema. Por el contrario, el control lineal de la caída de tensión directa en el MOSFET garantiza un cambio de suministro fluido y sin oscilaciones, incluso con cargas ligeras. Por lo tanto, el servo lineal es la técnica utilizada por todos los diodos ideales de tecnología lineal. La caída de voltaje a través del MOSFET de canal N de fuente a drenaje se regula a un voltaje de referencia pequeño mediante un amplificador. En la Figura 4a, se mantiene una diferencia de 15 mV entre el voltaje de suministro de entrada (fuente NFET) y el voltaje de carga (drenaje NFET) controlando el voltaje de puerta (por lo tanto, la resistencia MOSFET) incluso cuando cambia la corriente de carga. A medida que aumenta la carga, el voltaje de la compuerta alcanzará su valor máximo y el MOSFET se comporta como una resistencia, su caída de voltaje directo aumenta linealmente con la corriente. La figura 4b ilustra la característica IV resultante de este diodo ideal de 15 mV.

Esta es una pregunta común cuando se mira un circuito de diodo ideal. Consideremos el diodo ideal de canal N en la Figura 2. Los MOSFET de potencia de canal N tienen un diodo de cuerpo inherente que apunta desde la fuente al drenaje (es decir, el ánodo conectado a la fuente y el cátodo al drenaje). Si el pasador de drenaje se conectó a la entrada y la fuente a la salida, el diodo del cuerpo permite el flujo de corriente inversa de la carga al suministro, lo cual no es deseable. Por lo tanto, el pin fuente de un MOSFET de canal N está conectado a la entrada en circuitos de diodo ideales. Con esta orientación, la corriente de carga fluye a través del diodo del cuerpo hasta que la compuerta MOSFET se enciende y la corriente se desvía a través del canal MOSFET.

Un diodo-OR selecciona el suministro de entrada de voltaje más alto para alimentar la salida (hay cierta caída en el intercambio de corriente cuando los voltajes de entrada están cerca). Esto es adecuado para suministros redundantes con voltajes nominales similares. En algunas aplicaciones, especialmente en dispositivos electrónicos portátiles alimentados por adaptador de pared y batería, el voltaje no es el criterio principal para alimentar el sistema. El adaptador de pared alimenta el sistema siempre que esté disponible, es decir, tiene mayor prioridad que la batería. Un priorizador permite al usuario seleccionar qué fuente de alimentación aparece en la carga, independientemente de los niveles de tensión. Esto se puede implementar con un circuito ideal de diodo-OR que monitorea la fuente de alta prioridad (adaptador de pared de 12 V en la Figura 5) con un divisor resistivo (R2A, R2C) y deshabilita el suministro de menor prioridad (entrada E2#) siempre que el mayor el suministro prioritario está disponible (por encima del umbral de 9V). Se necesita un MOSFET adicional (Q3) para bloquear la ruta de corriente directa paralela a través del diodo del cuerpo del MOSFET (Q2) de diodo ideal en el suministro de respaldo (batería de iones de litio de 4 celdas).

La implementación anterior funciona para un sistema de 2 entradas, pero se complica con 3 entradas. El priorizador LTC4417 está diseñado específicamente para priorizar tres suministros en el rango de 2,5 V a 36 V (Figura 6); selecciona el suministro válido de mayor prioridad entre tres entradas para alimentar la carga. La prioridad se define mediante la asignación de pines (V1 es la prioridad más alta y V3 es la prioridad más baja), mientras que un suministro se considera válido después de haber estado dentro de una ventana de voltaje establecida por umbrales de bajo voltaje y sobrevoltaje con una precisión del 1,5 % durante 256 ms. El LTC4417 simplifica los diseños, derivando energía de múltiples fuentes de voltaje dispares comunes en dispositivos electrónicos portátiles y de alta disponibilidad. En tales sistemas, un priorizador es una mejor solución que un simple OR de diodo, especialmente cuando la fuente de alimentación preferida no es el voltaje más alto. A una fuente de alimentación limitada, como una batería (V2, 14,8 V), se le puede dar menor prioridad que a un adaptador de pared (V1, 12 V), aunque el voltaje de la batería sea mayor, lo que prolonga el tiempo de funcionamiento de la batería.

Los controladores PowerPath de canal N y canal P están disponibles. Además, el MOSFET se puede integrar o el controlador puede requerir un MOSFET externo. Cada opción proporciona flexibilidad en el funcionamiento del circuito. Los MOSFET de canal N tienen mayor movilidad que los MOSFET de canal P y transportan más corriente; para aplicaciones de alta corriente (por encima de 5 A), se pueden preferir los MOSFET de canal N. Sin embargo, los controladores de canal N requieren un voltaje de compuerta más alto que el voltaje de suministro para mejorar (encender) el MOSFET. Esta es la razón por la que se incluye una bomba de carga o un regulador de refuerzo dentro de los controladores de canal N de suministro positivo. Los controladores de canal P bajan la compuerta MOSFET para encender, eliminando la necesidad de una bomba de carga. Los MOSFET integrados brindan una solución compacta pero están limitados en los niveles actuales; Los controladores MOSFET externos permiten al usuario optimizar el MOSFET para un nivel de corriente específico, el R más bajo_{DS (ENCENDIDO)} (incluida la conexión de varios MOSFET en paralelo para aplicaciones de alta corriente), rendimiento térmico, etc. Un solo MOSFET permite que la corriente directa fluya a través de su cuerpo de diodo incluso cuando la compuerta apaga el canal MOSFET. Para proporcionar un bloqueo completo de las corrientes directa e inversa durante el apagado de la compuerta, algunos controladores son capaces de impulsar MOSFET conectados espalda con espalda (Q2, Q3 en la Figura 5).

Linear Technology ofrece una amplia gama de controladores PowerPath que minimizan la disipación de energía, reducen la caída de voltaje y brindan más funcionalidad que un diodo típico. Estos dispositivos son ideales para una amplia gama de aplicaciones, desde sistemas de servidores y comunicaciones de datos de gama alta hasta productos portátiles alimentados por batería.