Un reemplazo de baja pérdida para un diodo ORing

Los diodos ORing se utilizan para conectar múltiples suministros para aumentar la confiabilidad (a través de la redundancia del suministro) o para aumentar la potencia total. Un diodo también permite que un suministro se desconecte si tiene un voltaje insuficiente.

A altos niveles de potencia, generalmente se elige un diodo Schottky como diodo ORing debido a su caída directa relativamente baja (0,35 V a 0,6 V). Pero a niveles de corriente más altos, incluso la caída hacia adelante de Schottky crea una pérdida de energía significativa.

Una mejor alternativa es el controlador LT4351, que convierte un MOSFET de canal N de potencia en un diodo casi ideal adecuado para aplicaciones de ORing de alta potencia. La R baja_{DS (ENCENDIDO)} del MOSFET externo proporciona baja resistencia cuando conduce, mientras que el LT4351 mantiene un voltaje directo escaso de 15 mV en el MOSFET cuando está ligeramente cargado.

A modo de comparación, considere un suministro de 10 A a 5 V (50 W). En estas condiciones, un diodo Schottky con un voltaje directo de 0,45 (SBG1025L) disipa 4,5 W de potencia, una pérdida de eficiencia del 9 %. El LT4351 que utiliza un MOSFET de potencia con una resistencia de encendido de 3 mΩ (Si4838DY) disipa solo 0,3 W y crea una caída de 0,03 V. Esta es solo una pérdida de eficiencia del 0,6% y la tolerancia de voltaje del suministro también mejora. El LT4351 funciona con entradas de hasta 1,2 V, donde las mejoras de eficiencia son aún mayores.

La figura 1 muestra el diagrama de bloques del LT4351. Además de sus ventajas básicas de rendimiento sobre un diodo, el LT4351 proporciona características que un diodo no puede. Los comparadores de entrada sirven para detectar un suministro de entrada de bajo voltaje o sobrevoltaje y desactivar el interruptor MOSFET para un suministro fuera de rango. Los comparadores también proporcionan una forma de desconectar manualmente la alimentación de una fuente. los CULPA la salida absorbe la corriente durante un voltaje bajo o alto, lo que indica que el MOSFET está apagado y existe una falla de entrada.

El LT4351 utiliza un amplificador para controlar la puerta MOSFET. Este amplificador intenta mantener aproximadamente 15 mV en el MOSFET (entrada a salida). Si la R_{DS (ENCENDIDO)} del MOSFET es demasiado grande, aplica el voltaje de puerta máximo y la caída directa es I • R_{DS (ENCENDIDO)}. El voltaje de la compuerta se fija a 7,5 V por encima de la entrada o la salida, lo que sea menor, para ayudar a prevenir la ruptura del óxido de la compuerta en el MOSFET. El potente amplificador de accionamiento de compuerta puede apagar el MOSFET en menos de 1 µs para que fluya una corriente inversa mínima en caso de un cortocircuito de entrada. Este potente amplificador también proporciona una recuperación rápida de fallas en el suministro.

Se pueden usar MOSFET individuales o MOSFET consecutivos. Los MOSFET consecutivos se utilizan para bloquear la conducción inversa a través del diodo del cuerpo del MOSFET. Un LT4351 con MOSFET consecutivos desconecta la salida de una condición de sobrevoltaje de entrada, algo que un diodo normal no puede hacer.

Los pines UV y OV usan histéresis para reducir la probabilidad de activar una condición falsa de subtensión o sobretensión. El pin UV usa histéresis actual. Cuando el pin UV cae por debajo del umbral UV (una falla de bajo voltaje), se extraen 10 µA de corriente del divisor resistivo externo. Esto permite al usuario establecer el nivel de histéresis deseado eligiendo los valores de resistencia apropiados en el divisor. El pin OV tiene un filtro interno que reduce la respuesta a pequeños pulsos.

El pin de ESTADO LT4351 proporciona una indicación del estado del MOSFET. Cuando la entrada es mayor que la salida y el voltaje de la compuerta a la fuente/drenaje es mayor a 0,7 V, el ESTADO consume corriente, lo que indica que el MOSFET debe estar encendido. Si el voltaje de entrada a salida supera los 210 mV y el voltaje de GATE está en su máximo (bloqueado), CULPA se enciende indicando un posible MOSFET que no funciona.

El LT4351 también contiene un regulador de impulso que genera la V_DD suministro para alimentar el controlador de puerta MOSFET. La intensidad de la corriente de salida del regulador de refuerzo permite una carga rápida de la V_DD suministro y admite corrientes de accionamiento de puerta más altas. Por lo tanto, los MOSFET se pueden encender rápidamente durante el arranque y se pueden encender y apagar rápidamente durante el funcionamiento normal. El regulador solo requiere un pequeño inductor de 4,7 µH a 10 µH, un diodo Schottky y un condensador.

La Figura 2 muestra un ejemplo de un suministro redundante de 5V. En el caso de que un suministro se caiga, el suministro de respaldo se hará cargo. En esta aplicación, los MOSFET consecutivos se utilizan para evitar que el diodo del cuerpo del MOSFET conduzca en caso de que un suministro de 5 V pierda la regulación y entre en una condición de sobrevoltaje.

Los divisores resistivos de IN a UV y OV establecen los umbrales de detección de fallas. En este ejemplo, la falla UV ocurre a 4,5 V con 0,25 V de histéresis y la falla OV ocurre a 5,5 V.

L1 y D1 son los componentes del regulador de impulso. El LT4351 crea una V_DD alimentación de 10,5 V por encima de IN. Si hay disponible un suministro externo que pueda proporcionar suficiente accionamiento de compuerta, ese suministro se puede usar en lugar del regulador elevador.

El tamaño de los MOSFET se basa en la caída de voltaje deseada con consideraciones para la disipación de energía. En este caso, el Si4838DY tiene un peor caso de 4,5 mΩ R_{DS (ENCENDIDO)} (a temperatura) por lo que el par espalda con espalda es 9mΩ. Estos MOSFET vienen en paquetes SO-8, por lo que si la potencia está limitada a 1 W en cada uno, pueden manejar 14,9 A. La caída de tensión en ambos MOSFET con esta corriente es de 2 • 4,5 mΩ • 14,9 A = 0,134 V. Si se requiere más corriente, use MOSFET con menor R_{DS (ENCENDIDO)} y/o mejor resistencia térmica, o agregar MOSFET paralelos.

El LT4351 es útil en cualquier situación de OR que se beneficie de una baja disipación de energía, no solo de suministros redundantes. Los diferentes tipos de fuentes de alimentación también pueden combinarse con OR, y debido a que la función de diodo LT4351 está cerrada, la secuenciación de alimentación de diferentes suministros es relativamente fácil.

Por ejemplo, la Figura 3 muestra un sistema con dos suministros redundantes y una batería de respaldo. Los dos suministros redundantes se conectan en OR a través de los diodos ideales, por lo que la energía se entrega desde el suministro más alto dentro del rango. Sus umbrales de subtensión y sobretensión se establecen en función del rango de suministro de entrada. El circuito LT4351 para la batería desconecta la batería cuando se suministra energía desde cualquiera de las fuentes del sistema. Su pin OV está por encima del umbral si el CULPA está apagado en cualquier suministro del sistema (UV está configurado por encima del umbral). Si ambos suministros del sistema están deshabilitados (CULPA de ambos sistemas están bajos), entonces el pin OV LT4351 de la batería se tira por debajo del umbral para permitir que la batería proporcione energía.

La Figura 4 muestra un ejemplo de combinación de la función de diodo ideal LT4351 con un controlador Hot Swap. Esto se puede usar para crear suministros redundantes ORed en una placa enchufable. El controlador Hot Swap proporciona limitación de corriente, funciones de disyuntor y tiempo de reinicio, mientras que el LT4351 proporciona el comportamiento ideal del diodo.

La tendencia en las fuentes de alimentación de hoy es hacia corrientes más altas, voltajes más bajos, mayor eficiencia y mayor confiabilidad. Estas necesidades están obligando a los diseñadores a alejarse de los tradicionales diodos Schottky ORing. El LT4351 proporciona una solución OR mejorada al controlar la R baja_{DS (ENCENDIDO)} MOSFET para crear un diodo casi ideal. Además, el LT4351 agrega una mayor funcionalidad con monitoreo de suministro que puede desactivar la conducción de la ruta de alimentación. Una solución LT4351 tiene una disipación de energía significativamente menor que un diodo Schottky y ofrece funciones de protección que Schottky no puede.