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干貨分享 | 一文了解理想二極管

發布日期：2024-04-26

一文了解理想二極管

什么是理想二極管

定義：正向電壓為零且僅允許電流沿一個方向流動的二極管稱為理想二極管。

理想二極管是由理想二極管控制器（IC）和低內阻MOSFET組合構成。理想二極管控制器能夠通過判斷外部施加的正、反向電壓來控制MOSFET的通斷，當施加正向電壓時，控制器驅動MOSFET導通，實現超低正向壓降，當施加反向電壓時，控制器能夠快速關斷MOSFET，實現反向截止，從而達到理想二極管的效果。

圖1 二極管與理想二極管

為什么要使用理想二極管

普通二極管的正向壓降為0.6V到0.7V，肖特基二極管的壓降為0.3V，肖特基二極管雖然正向壓降較低，但反向漏電流大。而理想二極管由低內阻的MOSFET（例如2mΩ）構成，當MOSFET導通時，可以實現極低的正向導通壓降，如負載電流為10A時，其正向導通壓降為20mV，與肖特基二極管相比，導通損耗降低了95%以上，而且MOSFET的反向漏電流比肖特基二極管要小，也降低了反向狀態下的漏電損耗。可以明顯看出采用理想二極管的方案提供了更低的正向壓降，提高了電源系統的效率。圖2為理想二極管與肖特基二極管STPS20M60S的正向壓降對比。

圖2 正向電壓與負載電流之間關系

圖3顯示了肖特基二極管和理想二極管之間的功率耗散情況。當負載電流為10A時，理想二極管的功耗為0.35W，而肖特基二極管STPS20M60S的功耗為4.65W，因此理想二極管控制器和MOSFET配合使用時可將功耗降低到使用肖特基二極管時的1/10以下，非常符合如今節能減排的要求。

圖3 功率耗散與負載電流之間關系

理想二極管與二極管對比，優勢總結如下：

理想二極管使用場景

1.電池反向保護

直接使用電池電源運行的模塊或子系統需要防止電池反接，或防止在感性負載與電池斷開連接期間出現動態反極性條件。在汽車電池維護期間或車輛跨接啟動過程中，電池在重新安裝過程中會發生反極性連接，并會導致連接的子系統、電路和組件遭到損壞。圖4顯示了反接的電池發生這種情況時，巨大的電流將流過MCU、DC/DC轉換器或其他集成電路的ESD二極管，從而使電池連接的系統嚴重受損。如圖5所示，電池反接還會損壞電解電容等極化元件。

圖4 反接電池：損壞MCU或DC/DC轉換器

圖5 反接電池：損壞極化電容器

汽車上一般配有12V或24V電池，在車輛使用期間，通過12V或24V電池供電的子系統會在電源線路上承受各種電氣瞬變。電池反向保護解決方案用來保護電氣子系統免受瞬態影響，并滿足每個子系統所需的能量。傳統上采用肖特基二極管提供電池反向保護，如圖6所示：

圖6 采用肖特基二極管實現電池反向保護

實現電池反向保護的方式是在電池與用電系統路徑上添加一個串聯肖特基二極管。當電池安裝正確時，負載電流沿二極管正向流動。一旦電池安裝出現極性錯誤，二極管將會被反向偏置并阻止反向電流流動，從而保護負載免受負電壓影響。但肖特基二極管會導致損耗功率大，需要高的熱管理成本以及占板空間。

使用理想二極管替換肖特基二極管提供電池反向保護，可以解決肖特基二極管所帶來的問題。圖7所示為CSV2557和外置MOSFET替代肖特基二極管的應用原理圖。

圖7 理想二極管替換肖特基實現反向保護示意圖

2.Oring電源

肖特基二極管可用于實現兩個或者更多電源的Oring電路，從而增加系統冗余。當需要“N”個電源來負載供電時，常提供一個額外的電源單元作為冗余電源，在發生單點故障（一個電源單元發生故障）的情況下仍能維持系統工作。

圖8 采用肖特基二極管的雙ORing方案

圖8顯示了雙ORing方案，采用兩個PSU通過兩個肖特基二極管為負載供電。當其中一個電源發生故障，并且其輸入短路時，該路徑中的肖特基二極管將反向偏置，并將另一個電源與該故障電源隔離。負載完全由正常工作的電源保持供電，直到更換掉發生故障的電源。

如圖9所示為CSV2557和外置MOSFET替代肖特基二極管的應用原理圖。在ORing電源的應用中，使用理想二極管方案可以提高系統效率，降低散熱設計難度以及減小系統體積。

圖9 理想二極管替換肖特基實現雙路ORing電源示意圖

除CSV2557外，鍇威特提供了CSV2464、CSV2552、CSV2559、CSV2570等多種理想二極管控制芯片供用戶選擇。不同的芯片提供了輸入過壓保護、輸入欠壓保護、外置使能關斷功能、外置電荷泵以及浪涌抑制等多種功能，以滿足用戶的不同需求，實現更加靈活的配置。圖10到圖13分別給出了CSV2464、CSV2552、CSV2559、CSV2570的典型應用原理圖。

表1則根據主要參數給出了理想二極管控制芯片的選型表。