作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

理想二極管技術可為電子應用帶來諸多好處，包括降低壓降、增強系統控制和強大的保護功能。產品設計人員可充分利用這些先進解決方案的潛力，創造出更高效、更緊湊和更堅固耐用的產品。但是，要為應用選擇合適的理想二極管，需要在電氣性能、散熱、可靠性、成本和合規性等多種因素之間找到平衡點。

傳統二極管的壓降在 0.6 V 至 0.7 V 之間，肖特基二極管的壓降約為 0.3 V。在大電流應用中，這些壓降會導致嚴重的功率損耗。理想二極管（圖 1）使用低導通電阻電源開關（通常是 MOSFET）來模擬二極管的單向電流流動特征，但沒有二極管的壓降損耗。

圖 1：該圖說明了二極管（上部）與理想二極管電路之間的區別。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

例如，在 1 A 負載下，10 mΩ MOSFET 的壓降僅為 10 mV，而標準二極管的壓降通常為 600 mV。電壓降的減小也意味著功耗的大幅降低。10 mΩ MOSFET 在 1 A 負載時的損耗為 10 mW，而普通二極管的損耗為 600 mW。

通過增加背靠背 MOSFET 和控制電路，集成式理想二極管解決方案實現了更先進的功能，包括優先源選擇、限流和浪涌限制，同時顯著提升了電源管理的精密程度。傳統上，這需要不同的控制器，導致實現全面的系統保護變得復雜且繁瑣。但是，在理想的二極管解決方案中添加背靠背 MOSFET（圖 2），通過啟用一個或兩個 MOSFET 的開啟/關閉功能，或限制電流，就可實現全面的系統控制。

圖 2：使用背靠背 MOSFET 實現高級功能和控制的理想二極管解決方案。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

集成式解決方案可針對常見系統故障提供強大的保護，從而減少系統停機時間。可調欠壓鎖定 (UVLO) 和過壓鎖定 (OVLO) 閾值、可編程限流和熱關斷保護等功能確保系統即使在惡劣條件下也能保持正常工作。集成解決方案還有助于最大限度地減少所需元器件數量和電路板空間。

用集成 MOSFET 的解決方案取代傳統肖特基二極管，可顯著降低功耗，使其成為工業電源、電池供電系統以及電信和數據中心應用中冗余電源 OR-ing 的理想之選。這種解決方案還能確保反向輸入保護，防止意外極性反接造成損壞。

選擇理想二極管時面臨的挑戰

集成理想二極管解決方案旨在確保應用的可靠和高效運行。

但是，設計人員在選擇理想二極管時會面臨一系列挑戰，包括熱管理、電流處理、額定電壓、集成復雜性、成本和元器件供應情況：

• 雖然理想二極管能降低功率耗散，但熱管理仍然是一個重要的考慮因素。設計人員必須確保二極管能夠承受熱負荷而不影響性能。正確的散熱和熱設計對防止過熱至關重要。
• 二極管的電流處理能力必須能夠管理應用的預期電流負載，不會超出額定限制。這包括評估二極管的 RDS (ON) ，確保其在最大負載條件下保持在可接受的范圍內。
• 二極管的額定電壓必須足以承受應用中的最大電壓水平。設計人員需要同時考慮正向壓降和額定反向電壓，以確保可靠運行。
• 雖然集成解決方案的優勢眾多，但也會使設計過程復雜化。設計人員必須確保所有集成功能（如 UVLO、OVLO 和電流限值）配置合適，這可能需要額外的設計和測試時間。
• 設計人員必須權衡集成的好處和增加的成本，并確定增加的功能是否值得花費。
• 設計人員必須確保所選二極管隨時有貨，不會出現影響生產計劃的供應鏈問題。

發揮綜合解決方案的優勢

[Analog Devices, Inc. (ADI)] 是電源管理解決方案領域的領先企業，其推出的理想二極管控制器產品組合采用了基于 MOSFET 的設計方案。該公司的集成解決方案可最大限度地降低功耗、改善散熱性能并提高系統可靠性，是工業、汽車、電信和電池供電型應用的必備之選。

集成解決方案將理想二極管功能與過壓、欠壓、熱插拔和電子保險絲 (eFuse) 保護等附加系統保護功能整合在一個集成電路中。以前，這些功能都由不同的控制器提供，使得實現全面系統保護變得更加復雜。

如 [MAX17614]（圖 3）等 ADI 的理想二極管控制器具有先進的反向輸入保護、快速切換能力和高壓處理能力，可實現無縫電源冗余并提高能效。MAX17614 是一款高度集成的解決方案，在單個集成電路中集成了一個高性能理想二極管和多種其他功能，可為電源系統提供全面保護。

MAX17614 提供 140 ns 的反向電流阻斷保護，因此，可在優先電源選擇器應用中使用更小的輸出保持電容器，以提高整體系統效率。該器件將理想二極管/優先電源選擇器功能與可調限流、熱插拔、電子保險絲、欠壓 (UV) 和過壓 (OV) 保護功能組合在一起。

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

更小的解決方案尺寸

集成式理想二極管解決方案最大限度地減少了所需元器件的數量和電路板空間。例如，MAX17614 集成了兩個 N 溝道場效應晶體管 (NFET)，可將解決方案的尺寸縮小 40%。

集成式 NFET 采用串聯連接，具有低至 130 mΩ 的累積典型 RDS (on) 。這些器件可用于實現理想二極管的功能，具備反向輸入電壓和反向電流保護特性，還能提高系統效率。輸入 UV 保護可在 4.5 V 至 59 V 之間設置，而 OV 保護可在 5.5 V 至 60 V 之間獨立設置。此外，該器件的默認內部 UVLO 上升閾值設置為 4.2 V（典型值）。

MAX17614 結構緊湊，尤其適合空間有限的應用。憑借快速響應時間、高電壓能力和最小功率損耗，該器件在太陽能系統、USB-C 電源傳輸、工業自動化和醫療設備等對高效電源管理和可靠性要求極高的領域廣受歡迎。

與分立式 MOSFET 相比，集成式 NFET 優化了熱管理，減少了對額外冷卻元器件的需求。在用于電信和數據中心解決方案的冗余電源 OR-ing 應用中，這些器件還能實現電源之間的快速切換。NFET 還提供反向輸入保護，可防止電壓連接錯誤或反向饋電造成損壞。

由于采用了集成式 NFET，設計人員無需尋找、選擇外部 MOSFET，因此簡化了物料清單 (BOM) 和 PCB 布局。設計人員可以利用元器件數量減少的優勢，設計出更小、更緊湊的產品。

ADI 還提供 [MAX17614EVKIT]評估套件，供設計人員測試并將 MAX17614 理想二極管控制器集成到其電源管理解決方案中。該評估板為評估基于 NFET 的集成理想二極管的效率、開關特性和保護功能提供了一個平臺。

使用 EVKIT，可為工業電源、電池管理系統以及電信和服務器應用中的冗余電源 OR-ing 等應用進行高效電源路徑解決方案的原型開發。該套件可用于分析不同負載條件下的電壓和電流特性，有助于確保最佳元器件選型和設計布局，因此設計人員可在進行大規模 PCB 開發之前驗證電路性能。

結語

理想二極管技術可為各種應用提供高效率、低損耗的電源路徑控制，包括降低功率耗散、最大限度地減少壓降和改善散熱性能。理想二極管可提高能效、減少發熱并消除對笨重散熱器的需求，不僅能簡化 PCB 設計，還能提高系統可靠性。ADI 的 MAX17614 及其配套評估板有助于設計人員為各種應用創建更小、更高效和高穩定性的電源解決方案。

審核編輯 黃宇