Aproveite os diodos ideais com MOSFETs integrados

A tecnologia de diodo ideal oferece vários benefícios para aplicações eletrônicas, incluindo quedas de tensão reduzidas, controle aprimorado do sistema e recursos de proteção robustos. Os projetistas de produtos podem aproveitar todo o potencial dessas soluções avançadas para criar produtos mais eficientes, compactos e robustos. Mas selecionar o diodo ideal certo para uma aplicação exige encontrar um equilíbrio de vários fatores, incluindo desempenho elétrico, considerações térmicas, confiabilidade, custo e conformidade.

Os diodos tradicionais exibem uma queda de tensão que varia de 0,6 V a 0,7 V, sendo os diodos Schottky com queda em torno de 0,3 V. Em aplicações de alta corrente, essas quedas podem levar a perdas significativas de potência. Um diodo ideal (Figura 1) usa um comutador liga/desliga de baixa resistência de condução, geralmente um MOSFET, para imitar o comportamento do fluxo de corrente unidirecional de um diodo, mas sem a perda da queda de tensão no diodo.

Figura 1: Este diagrama ilustra as diferenças entre um diodo (em cima) e um circuito de diodo ideal. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

Um MOSFET de 10 mΩ com uma carga de 1 A, por exemplo, tem apenas uma queda de 10 mV em comparação com a queda típica de 600 mV num diodo normal. Esta redução na queda de tensão também se traduz numa dissipação de potência significativamente menor. Uma carga de 1 A num MOSFET de 10 mΩ dissipa 10 mW, em comparação com os 600 mW dissipados por um diodo normal.

Com um MOSFET adicional de interligação comum e um circuito de controle, uma solução integrada de diodo ideal pode oferecer funções mais avançadas, incluindo seleção prioritária da fonte, limitação de corrente e limitação de irrupção, acrescentando uma camada de sofisticação ao gerenciamento de energia. Tradicionalmente, isto exigia diferentes controladores, o que tornava complexa e complicada a realização da proteção total do sistema, mas a inclusão de MOSFETs com interligação comum a uma solução de diodo ideal (Figura 2) proporciona o controle total do sistema, ao permitir ligar/desligar um ou ambos os MOSFETs, ou ao limitar a corrente.

Figura 2: Diagrama de uma solução de diodo ideal que utiliza MOSFETs com interligação comum para funcionalidade e controle avançados. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

As soluções integradas oferecem uma proteção robusta contra falhas corriqueiras do sistema, reduzindo assim a paralisação do sistema. Caraterísticas como limiares ajustáveis de bloqueio de subtensão (UVLO) e de bloqueio de sobretensão (OVLO), limites de corrente programáveis e proteção com desligamento térmico garantem que os sistemas permanecem operacionais mesmo em condições adversas. As soluções integradas também podem ajudar a minimizar a quantidade de componentes necessários e o espaço na placa.

A substituição dos tradicionais diodos Schottky por uma solução de MOSFETs integrados reduz significativamente a dissipação de potência, tornando-a ideal para fontes de alimentação industriais, sistemas alimentados por bateria e paralelismo redundante da alimentação em aplicações de telecomunicações e datacenters. Pode também assegurar a proteção contra entrada inversa, evitando danos provocados por inversões acidentais de polaridade.

Desafios na seleção do diodo ideal

As soluções integradas de diodos ideais são concebidas para garantir um funcionamento confiável e eficiente nas aplicações.

Mas os projetistas que tentam selecionar um diodo ideal enfrentam uma série de desafios, incluindo o gerenciamento térmico, o tratamento da corrente, a tensão nominal, a complexidade da integração, o custo e a disponibilidade dos componentes:

• Embora os diodos ideais reduzam a dissipação de potência, o gerenciamento térmico continua a ser uma consideração crucial. Os projetistas devem garantir que o diodo consiga lidar com a carga térmica sem comprometer o desempenho. O dissipador de calor e o design térmico adequados são essenciais para evitar o superaquecimento.
• A capacidade de lidar com a corrente do diodo deve conseguir gerenciar as cargas de corrente previstas para a aplicação sem exceder os limites dimensionados. Isso envolve avaliar a RDS_(ON) do diodo e garantir que ela permaneça dentro dos limites aceitáveis sob condições de carga máxima.
• A tensão dimensionada do diodo deve ser suficiente para suportar os níveis máximos de tensão na aplicação. Os projetistas precisam considerar a queda de tensão direta e o dimensionamento da tensão reversa para garantir uma operação confiável.
• Embora as soluções integradas ofereçam inúmeras vantagens, podem também introduzir complexidade no processo de projeto. Os projetistas devem garantir que todos os recursos integrados, como UVLO, OVLO e limites de corrente, sejam configurados adequadamente, o que pode exigir tempo adicional de projeto e teste.
• Os projetistas devem avaliar os benefícios da integração em relação ao custo adicional e determinar se a funcionalidade adicional justifica a despesa.
• Os projetistas devem garantir que o diodo selecionado esteja prontamente disponível e que não haja restrições na cadeia de suprimentos que possam afetar os cronogramas de produção.

Aproveitando as soluções integradas

A Analog Devices, Inc. (ADI), líder em soluções de gerenciamento de energia, oferece um portfólio de controladores de diodo ideal que aproveitam projetos baseados em MOSFET. As soluções integradas da empresa minimizam a dissipação de potência, melhoram o desempenho térmico e aumentam a confiabilidade do sistema, tornando-as essenciais para aplicações industriais, automotivas, de telecomunicações e alimentadas por bateria.

As soluções integradas mesclam a funcionalidade do diodo ideal com caraterísticas adicionais de proteção do sistema, tais como sobretensão, subtensão, troca em funcionamento e proteção por eFuse, tudo num único CI. Anteriormente, estas funções estavam dispersas por vários controladores, o que complicava a realização da proteção total do sistema.

Os controladores de diodo ideal da ADI, como o MAX17614 (Figura 3), incorporam uma proteção avançada contra entrada inversa, capacidades de comutação rápida e manuseamento de alta tensão, permitindo uma redundância perfeita de alimentação e uma maior eficiência energética. O MAX17614 é uma solução altamente integrada que fornece um diodo ideal de alto desempenho com várias outras funções num único circuito integrado para proteger totalmente um sistema de energia.

O MAX17614 oferece uma proteção que bloqueia a corrente inversa em 140 ns, permitindo o uso de capacitores menores de retenção na saída em aplicações de seleção prioritária de fonte de alimentação, o que pode aumentar a eficiência geral do sistema. Combina as funções de seleção de diodo ideal/fonte de alimentação prioritária com limites ajustáveis de corrente, troca em funcionamento, eFuse, proteção contra subtensão (UV) e sobretensão (OV).

Figura 3: Dispositivo de diodo ideal/seletor de fonte de alimentação MAX17614 da ADI. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

Tamanho menor da solução

As soluções integradas de diodo ideal minimizam a quantidade de componentes necessários e o espaço na placa. Por exemplo, o MAX17614, com dois transistores de efeito de campo de canal N (NFETs) integrados, permite uma redução de até 40% no tamanho da solução.

Os NFETs integrados são ligados em série com uma baixa RDS_(on) típica cumulativa de 130 mΩ. Podem ser utilizados para implementar uma função de diodo ideal que apresenta proteção contra tensão de entrada inversa e corrente inversa com uma eficiência melhorada do sistema. A proteção contra subtensão na entrada pode ser programada entre 4,5 V e 59 V, enquanto a proteção contra sobretensão pode ser programada independentemente entre 5,5 V e 60 V. Além disso, o dispositivo tem um limiar interno de subida padrão de UVLO definido para 4,2 V (típ).

O tamanho compacto do MAX17614 é particularmente benéfico em aplicações onde o espaço é escasso. Com um tempo de resposta rápido, capacidade de alta tensão e perda mínima de potência, provou ser popular para uso em sistemas de energia solar, fornecimento de energia USB-C, automação industrial e equipamento médico, onde o gerenciamento eficiente da energia e a confiabilidade são fundamentais.

Em comparação com os MOSFETs discretos, os NFETs integrados são otimizados para gerenciamento térmico, reduzindo a necessidade de componentes adicionais de arrefecimento. Permitem também o chaveamento rápido entre fontes de alimentação nas aplicações com paralelismo redundante empregadas para soluções de telecomunicações e datacenters. Os NFETs também fornecem proteção contra entrada inversa, evitando danos causados por ligações incorretas de tensão ou retroalimentação.

Com os NFETs integrados, a lista de materiais (BOM) e o layout da PCI são simplificados, pois os projetistas não precisam adquirir e selecionar MOSFETs externos. Podem aproveitar a redução na quantidade de componentes para criar projetos menores e compactos.

A ADI também oferece o kit de avaliação MAX17614EVKIT para que os projetistas possam testar e integrar o controlador de diodo ideal MAX17614 nas suas soluções de gerenciamento de energia. A placa de teste proporciona uma plataforma para avaliar a eficiência, o comportamento do chaveamento e os recursos de proteção do diodo ideal integrado baseado em NFET.

A EVKIT permite a criação de protótipos de soluções eficientes da via de alimentação para aplicações como fontes de alimentação industriais, sistemas de gerenciamento de baterias e paralelismo redundante em aplicações de telecomunicações e servidores. O kit permite a análise do comportamento da tensão e da corrente sob diferentes condições de carga para ajudar a garantir a seleção ideal de componentes e o layout do projeto, para que os projetistas possam validar o desempenho do circuito antes de se comprometerem com o desenvolvimento da PCI em escala real.

Conclusão

A tecnologia de diodo ideal oferece controle da via de alimentação com alta eficiência e baixa perda para aplicações, incluindo dissipação reduzida de potência, queda de tensão minimizada e desempenho térmico aprimorado. Ao aumentar a eficiência energética, reduzir a produção de calor e eliminar a necessidade de dissipadores volumosos de calor, os diodos ideais melhoram a confiabilidade do sistema e simplificam o projeto da PCI. O MAX17614 da ADI e a placa de teste que o acompanha permitem aos projetistas criar soluções menores de energia, mais eficientes e altamente robustas numa vasta gama de aplicações.