PowerPath控制器、理想二極管和優(yōu)先排序器入門

由多個直流電源供電的電子系統(tǒng)很常見 - 它們包括手持設(shè)備（USB 端口和電池）、便攜式儀器（墻上適配器和電池）和高可用性服務(wù)器（主電源軌和冗余/輔助電源軌）。選擇正確的輸入電源為系統(tǒng)供電并非易事，因為不正確的實(shí)現(xiàn)會在電源之間振蕩，導(dǎo)致電源掉電，或者通過允許反向電流損壞輸入電源。凌力爾特的電源路徑?控制器簡化了動態(tài)電源選擇的任務(wù)。

電源路徑控制器

多輸入電源系統(tǒng)具有將輸入電源多路復(fù)用至公共輸出負(fù)載的開關(guān)。PowerPath 控制器基本上顧名思義 — 它選擇并控制電源流向系統(tǒng)的路徑?？刂破鞲鶕?jù)最高電壓或最高優(yōu)先級選擇輸入源;前一種稱為理想二極管，而后者稱為優(yōu)先排序器。PowerPath 控制器采用集成或外部、單通道或背靠背、P 溝道或 N 溝道 MOSFET 開關(guān)，為公共輸出負(fù)載多路復(fù)用多達(dá)三個輸入電源。通過采用多個控制器對三個以上的電源進(jìn)行多路復(fù)用。

圖1.用于多個電源輸入的 PowerPath 控制器

理想二極管

理想二極管是周圍帶有控制電路的MOSFET（圖2），在正向偏置條件下（輸入電壓大于輸出電壓）以低壓降（低于50mV）導(dǎo)通，在反向偏置（輸入電壓小于輸出電壓）時關(guān)斷。與功率肖特基二極管相比，理想二極管（又名有源二極管）可將電壓和功率損耗降低十倍或更多。散熱要求最小化，形成緊湊的解決方案。低壓電源（5V、3.3V或更低）應(yīng)用可獲得更大的電壓裕量。理想二極管還包括標(biāo)準(zhǔn)二極管所不具備的附加監(jiān)控和保護(hù)功能。與傳統(tǒng)二極管一樣，理想二極管將（二極管-OR）電源組合在一起，以便在輸入故障或短路時提供冗余。此外，它們還可用于輸入掉電期間的輸出電源保持、電池反向保護(hù) （LTC4359） 或平衡電源電流 （LTC4370）。

圖 2：N 溝道和 P 溝道理想二極管控制器

理想二極管兩端的壓降可以計算為I負(fù)荷? RDS（ON）.對于 5mΩ RDS（ON）MOSFET具有10A負(fù)載電流，理想的二極管壓降計算為50mV。表1比較了在不同輸入電源電壓下，該電壓損耗與功率肖特基二極管的500mV典型壓降。如圖所示，肖特基二極管的壓降在低電源電壓下變得無法忍受，從而消耗了很大一部分工作電壓。理想二極管是低輸入電壓下唯一可行的解決方案。

理想二極管功耗計算公式為I負(fù)荷2? RDS（ON），而對于0.5V肖特基二極管，計算公式為0.5V ? I負(fù)荷.圖3比較了這兩種二極管的功耗：理想的二極管節(jié)能隨著負(fù)載電流的增加而增加，省去了散熱器或縮小了散熱器，從而節(jié)省了電路板面積。

圖3：肖特基二極管和理想二極管功率損耗與負(fù)載電流的關(guān)系

實(shí)際操作中的理想二極管

構(gòu)建理想二極管有兩種方法，一種采用比較器，另一種采用線性伺服放大器?；诒容^器的技術(shù)要么允許直流反向電流（可能損壞電源），要么在輕負(fù)載電流或電源切換期間在開和關(guān)之間振蕩，從而向系統(tǒng)注入噪聲。相反，MOSFET 兩端正向壓降的線性控制可確保平穩(wěn)的電源切換，即使在輕負(fù)載下也不會發(fā)生振蕩。因此，線性伺服是所有凌力爾特理想二極管使用的技術(shù)。N 溝道 MOSFET 源極至漏極兩端的壓降由放大器調(diào)節(jié)至一個小基準(zhǔn)電壓。在圖4a中，即使負(fù)載電流發(fā)生變化，輸入電源電壓（NFET源）和負(fù)載電壓（NFET漏極）之間仍保持15mV的差值。隨著負(fù)載的增加，柵極電壓將以其最大值熄滅，MOSFET表現(xiàn)為電阻器，其正向壓降隨電流線性增加。圖4b顯示了該15mV理想二極管的IV特性。

圖 4a. 基于線性伺服放大器的理想二極管實(shí)現(xiàn)

圖 4b. 相應(yīng)的理想二極管 IV 特性

理想的二極管MOSFET是反向的嗎？

這是尋找理想二極管電路時的一個常見問題。讓我們考慮圖2中的N溝道理想二極管。N 溝道功率 MOSFET 具有從源極到漏極的固有體二極管（即陽極連接到源極和陰極連接到漏極）。如果漏極引腳連接到輸入端，源極連接到輸出端，則體二極管允許反向電流從負(fù)載流向電源，這是不希望的。因此，N溝道MOSFET的源極引腳連接到理想二極管電路中的輸入端。在這種方向下，負(fù)載電流流過體二極管，直到 MOSFET 柵極導(dǎo)通，電流通過 MOSFET 溝道轉(zhuǎn)移。

優(yōu)先級排序器

二極管OR選擇最高電壓的輸入電源為輸出供電（當(dāng)輸入電壓接近時，存在一些壓降均流）。這適用于具有類似標(biāo)稱電壓的冗余電源。在某些應(yīng)用中，特別是在由墻上適配器和電池供電的便攜式電子設(shè)備中，電壓不是為系統(tǒng)供電的主要標(biāo)準(zhǔn)。只要墻上適配器可用，它就會為系統(tǒng)供電，即它比電池具有更高的優(yōu)先級。優(yōu)先級排序器使用戶能夠選擇出現(xiàn)在負(fù)載上的電源，而與電壓電平無關(guān)。這可以通過理想的二極管OR電路來實(shí)現(xiàn)，該電路使用電阻分壓器（R12A、R5C）監(jiān)視高優(yōu)先級電源（圖2中的2V墻上適配器），只要優(yōu)先級較高的電源可用（高于2V門限），就會禁用優(yōu)先級較低的電源（E9#輸入）。需要一個額外的MOSFET （Q3）來阻斷通過備用電源（2節(jié)鋰離子電池）上的理想二極管MOSFET （Q4）體二極管的并聯(lián)正向電流路徑。

圖 5：優(yōu)先考慮 12V 墻上適配器而不是 14.4V 4 芯鋰離子電池

上述實(shí)現(xiàn)適用于 2 輸入系統(tǒng)，但對于 3 輸入系統(tǒng)會變得復(fù)雜。LTC4417 優(yōu)先排序器專為對 2.5V 至 36V 范圍內(nèi)的三個電源進(jìn)行優(yōu)先排序而設(shè)計（圖 6）;它在三個輸入中選擇優(yōu)先級最高的有效電源來為負(fù)載供電。優(yōu)先級由引腳分配定義（V1為最高優(yōu)先級，V3為最低優(yōu)先級），而電源在1ms內(nèi)由5.256%精度的欠壓和過壓閾值設(shè)置的電壓窗口內(nèi)后，則視為有效。LTC4417 簡化了設(shè)計，從手持式和高可用性電子設(shè)備中常見的多個不同電壓源獲得電源。在此類系統(tǒng)中，優(yōu)先排序器是比簡單的二極管OR更好的解決方案，特別是當(dāng)首選電源不是最高電壓時。有限的電源（如電池（V2，14.8V））的優(yōu)先級可能低于墻上適配器（V1，12V），即使電池電壓較高，也會延長電池運(yùn)行時間。

圖 6：LTC4417 三通道優(yōu)先排序器電路和操作

場效應(yīng)管類型和配置

N 溝道和 P 溝道 PowerPath 控制器均可用。此外，可以集成MOSFET，或者控制器可能需要外部MOSFET。每個選項都為電路的工作方式提供了靈活性。N 溝道 MOSFET 比 P 溝道 MOSFET 具有更高的遷移率，并承載更多的電流;對于高電流應(yīng)用（5A以上），N溝道MOSFET可能是首選。但是，N 溝道控制器需要高于電源電壓的柵極電壓來增強(qiáng)（導(dǎo)通）MOSFET。這就是電荷泵或升壓穩(wěn)壓器內(nèi)置在正電源N溝道控制器內(nèi)的原因。P 溝道控制器將 MOSFET 柵極拉低以導(dǎo)通，無需電荷泵。集成 MOSFET 提供緊湊的解決方案，但電流水平有限;外部 MOSFET 控制器允許用戶針對特定電流電平優(yōu)化 MOSFET，最低 RDS（ON）（包括并聯(lián)多個MOSFET用于大電流應(yīng)用）、熱性能等單個 MOSFET 允許正向電流流過其體二極管，即使 MOSFET 溝道被柵極關(guān)閉。為了在柵極關(guān)斷期間完全阻斷正向和反向電流，一些控制器能夠驅(qū)動背靠背連接的MOSFET（圖2中的Q3、Q5）。

總結(jié)

凌力爾特提供了多種 PowerPath 控制器，與典型二極管相比，這些控制器可最大限度地降低功耗、降低壓降并提供更多功能。這些器件是各種應(yīng)用的理想選擇，從高端數(shù)據(jù)通信和服務(wù)器系統(tǒng)到便攜式電池供電產(chǎn)品。

審核編輯：郭婷