揭秘理想二极管创新方案

肖特基二极管广泛用于电源系统设计，可在各种输R 入电源故障条件下提供保护，并通过并联电源提供系统冗余。 汽车电源系统设计使用功率肖特基二极管，可在电池反向和各种汽车电气瞬变条件下提供保护。工业系统传统上 采用肖特基二极管提供反极性保护以防止现场电源接线错误，并提供对雷电和工业浪涌的抗扰能力。 常用的工业系统、电信服务器、存储和基础设施设备均采用肖特基二极管来提供系统冗余，或通过对两个或更多 电源采用 ORing 电路来增加功率容量。然而，肖特基二极管的正向压降会在大电流下产生显著的功率损耗，从而 更需要使用散热器和更大 PCB 空间来进行热管理。正向传导损耗和相关的热管理会使效率降低，并使系统成本和 空间增加。随着系统功率水平的提高以及功率密度需求的增加，肖特基二极管不再是新一代高性能系统设计的优 先选择。 本应用手册重点介绍了采用肖特基二极管或 P 沟道 MOSFET 的传统输入电池保护解决方案的局限性，并讨论了 如何使用达尔半导体(DIODES) 的理想二极管控制器来提高电池输入保护应用和电源 ORing 应用的效率和性能。

1 引言

本应用报告将讨论使用肖特基二极管或 P 沟道 MOSFET 提供前端输入保护（例如电池反向保护、反向电流阻断 和输入微短路期间的保护）的传统方法。接下来，本报告将讨论 ORing 电源如何提供电源冗余并增加功率容量。 本报告将详细讨论现有方法的缺点，以及将DIODES 理想二极管控制器用于输入保护和 ORing 应用的优点。

2 电池反向保护

在前端电源系统设计中，直接使用电池电源运行的模块或子系统需要防止电池反接，或防止在感性负载与电池断 开连接期间出现动态反极性条件。在汽车电池维护期间或车辆跨接启动过程中，电池在重新安装过程中会发生反 极性连接，并会导致连接的子系统、电路和组件遭到损坏。图 2-1 显示了反接的电池。发生这种情况时，巨大的 电流将流过微控制器、直流/直流转换器或其他集成电路的 ESD 二极管，从而使电池连接的子系统严重受损。如 图 2-2 所示，电池反接会损坏电解电容器等极化元件。
 

图 2-1. 反接电池：损坏 MCU 或直流/直流转换器
图 2-2. 反接电池：损坏极化电容器

乘用车和商用车配备 12V 或 24V 电池，在车辆的使用寿命期间，通过 12V 或 24V 电池供电的子系统会在其电源 线路上承受各种电气瞬变。汽车 EMC 测试标准（例如 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2 等）指明了电气瞬变规格和测 试方法，并就相应瞬变的抗扰度进行性能分类。电池反向保护解决方案有望保护电气子系统免受瞬态影响，并满 足每个子系统所需的性能水平。传统上采用肖特基二极管提供电池反向保护，并防止损坏电池连接的子系统。

2.1 采用肖特基二极管实现电池反向保护

实现电池反向保护的简单方法是在系统电源路径的输入端添加一个串联二极管。图 2-3 显示了如何使用肖特基二极管实现电池反向保护。当电池安装正确时，负载电流沿二极管正向流动。如果安装电池时出现极性错误，二极管将被反向偏置并会阻止反向电流，从而保护负载免受负电压的影响。 图 2-4 显示了对输入端反极性条件的响应。当 12V 输入快速反转至 -20V 时，输出电压保持不变，不会立即崩溃 或跟随负输入，因为肖特基二极管会被反向偏置并会使输出与负电压隔开。放置在输出端的大容量电容器可防止 输出立即下降，并可在输入电源恢复之前为负载供电一小段时间。

图 2-3. 采用肖特基二极管实现电池反向保护 
图 2-4. 肖特基二极管对电池反向条件的响应

使用肖特基二极管进行电池反向保护的缺点包括： 图 2-4. 肖特基二极管对电池反向条件的响应 • 功率耗散：在较高的负载电流下，正向传导会造成显著的效率损失。 • 热管理：需要使用散热器来管理功率耗散，因此会增加成本和空间。 • 反向漏电流：高压肖特基二极管的反向漏电流随结温升高而急剧增加，导致反向导通期间的功率耗散更高。 • 下游电源转换器的裕量：在汽车冷启动期间，电池电压降至 3V，而在热启动期间降至 4V。正向压降会减少后 续电源转换器的裕量，因此在 3V 或 4V 冷启动运行期间需要使用工作电压范围更宽的电源转换器。所以，需 要在二极管之后使用输入电压范围更宽的直流/直流升压转换器。 在使用大容量保持电容器的系统上，启动期间的浪涌电流会很大，并且不得超过最大二极管电流。在选择散热布 局或散热器时需要考虑这一点。

3 ORing 电源

肖特基二极管传统上用于实现两个或更多个电源的 ORing 电路，从而增加系统冗余或增加 N+1 配置中的电源容 量。通常，在 N+1 冗余配置中使用肖特基二极管并联多个电源单元 (PSU)。至少需要“N”个电源来为负载供 电，并提供一个额外的电源单元以在发生单点故障（一个电源单元发生故障）的情况下作为冗余。具有较高电压 的电源将提供负载所需的大部分或全部功率。为了在电源之间实现几乎平均的负载共享，需要调整电源直流设定 点以紧密匹配其他单元。

图 3-1. 二极管 Oring

图 3-1 显示了双 ORing 方案，其中采用两个 PSU 通过两个肖特基二极管为负载供电。当其中一个电源发生故障 且其输入短路时，其路径中的肖特基二极管将被反向偏置，并将另一个电源与故障相隔离。负载完全由正常工作 的电源保持供电，直到更换掉发生故障的单元。 负载共享：两个电源之间的负载共享主要取决于肖特基二极管的正向电压差和两个电源之间的电压差。具有较高 电压和较低正向电压肖特基二极管的电源将承载大部分电流。肖特基二极管的正向压降具有负温度系数，并且随 着温度的升高而减小。这会导致单个电源承载整个负载电流，但第二个电源仍然存在，并造成结温 TJ 升高。因 此，需要在两个二极管之间进行慎重的散热器设计和热管理。 功率耗散和热管理：除了功率耗散和相关热管理等关键问题外，如果热设计不当，高温下的反向漏电流会导致效 率损失并引起热耗散情况。高压肖特基二极管的反向漏电流随温度升高急剧增加。例如，额定电压为 60V 的肖特 基二极管 STPS20M60S 在 150°C 时的反向漏电流为 100 mA，因此，-60V 时的功耗为 6W。考虑这样一种情 况：由于肖特基二极管的正向电压差或电源直流设定点偏移，只有一个电源完全提供负载电流。如果这个（第一 个）电源发生故障，第二个电源将接管第一个电源并为整个负载供电，但第一个电源的肖特基二极管在关断前具 有较高的 TJ，并传导较大的反向漏电流。这可能导致热耗散情况，其中肖特基二极管继续传导增加的反向电流并 会受损。肖特基二极管损坏和电源发生故障会拉低整个电源系统，从而导致系统故障。即使通过慎重的散热器设 计避免了热耗散，反向传导中的持续功率耗散也会导致不必要的功率损耗。

4 采用 MOSFET 实现电池反向保护

在本节中，我们将讨论使用 P 沟道 MOSFET 和 N 沟道 MOSFET 实现的电池反向保护及其优缺点。

4.1 采用 P 沟道 MOSFET 实现电池反向保护

肖特基二极管可以替换为 P 沟道 MOSFET 以提供电池反向保护，如图 4-1 所示。为了降低二极管的正向压降， 可以将肖特基二极管替换为 P 沟道 MOSFET，并使其体二极管与肖特基二极管的方向相同。在电池正常工作期 间，MOSFET 的体二极管将被正向偏置，并导通很短的时间，直到栅极电压被拉至源极以下时会将 MOSFET 导 通。当电池极性反转时，栅源电压变为正电压，并将 MOSFET 关断，从而保护下游电路免受负电压的影响。

图 4-1. 采用 P 沟道 MOSFET 实现电池反向保护 

在输入快速由正变负的动态反极性期间，在栅源电压变为正电压而导致输入开始变为负时，P 沟道 MOSFET 将关 断。还需要注意，输出也将接近或低于系统接地的二极管压降，并保护下游直流/直流转换器免受负电压的影响。 由于这种 P 沟道 MOSFET 保护功能不会阻止反向电流流回输入端，保持电容器将放电。可以添加一个额外的电 路来检测输入和输出之间的电压差，并在输入低于输出时关断 MOSFET，但需要增加成本和布板空间。

在图 4-3 中，当发生输入从 12V 快速变为 -20V 的动态反极性条件时，P 沟道 MOSFET 电路会保护输出免受这种 情况的影响。在初始反向电压持续 50 µs 后，输出仍然免受负电压的影响。请注意，由于缺少反向电流阻断功 能，输出将完全放电，并且所有保持电容器都会放电。

图 4-2. 动态反极性 - 肖特基二极管
图 4-3. 动态反极性 - P 沟道 MOSFET

4.2 输入短路和电源中断

图 4-3. 动态反极性 - P 沟道 MOSFET 图 4-4 和图 4-5 显示了 P 沟道 MOSFET 与肖特基二极管在输入短路或中断期间的性能比较情况。在输入短路期 间，肖特基二极管会快速反向偏置，并阻止反向电流回流到短路的输入端。输出与输入短路隔开，输出端的保持 电容器为负载提供备用电源，使得输出电压下降。消除输入短路后，负载通过肖特基二极管供电。 在图 4-5 中，当栅源电压超过 MOSFET 的 VTH（接近 0V）时，P 沟道 MOSFET 将关断。由于缺乏反向电流阻断 功能，输出电压会大幅下降。
 

图 4-4. 输入短路 - 肖特基二极管 
图 4-5. 输入短路 - P 沟道 MOSFET

4.3 线路干扰期间的二极管整流

图 4-5. 输入短路 - P 沟道 MOSFET

在汽车系统中，电池线路在车辆正常运行期间会受到各种干扰和瞬变的影响。其中一项关键测试是被称为“交流叠加测试”的电源线路干扰测试。此测试在电池电源线路上施加峰-峰值为 2V - 4V 且频率在 20Hz 至 30KHz 之间的交流干扰，此时，子系统应能够正常运行而没有任何功能损失。

肖特基二极管通过阻断反向电流来对交流线路干扰进行整流。图 4-6 显示了整流后的输出和输入电流；此电流由于注入的交流线路干扰而增加了交流分量。由于与正向压降相乘的 RMS 电流增加，肖特基二极管上的功率耗散增加。为了在交流叠加测试期间可靠运行，需要管理这些额外的热量。

图 4-7 显示了 P 沟道 MOSFET 电路的性能

由于 P 沟道 MOSFET 不会阻断反向电流，因此不会对线路干扰进 行整流，进而会导致 RMS 输入电流增加。由于 MOSFET 保持导通，正向压降较低，MOSFET 上的功率耗散可 能不是主要问题，但是，输出电解电容器的 RMS 电流会因 ESR 而在电容器上产生额外的热量。为防止电容器因 过热而损坏，可将所需电容拆分到多个并联电容器以降低 ESR。这种做法会增加系统成本和空间。 为了进行整流，可使用基于外部比较器的方法添加反向电流阻断功能，但这会增加成本和空间。 4.4 采用 N 沟道 MOSFET 实现电池反向保护 电池反向保护的另一种方法是在低侧（例如接地返回路径）使用 N 沟道 MOSFET。工作原理类似于图 4-1 中的 P 沟道 MOSFET。在正常工作期间，MOSFET 的体二极管将被正向偏置并导通，直到 MOSFET 导通。当电池输入 通过限流电阻对栅极充电时，MOSFET 会快速导通。在静态电池反向或动态电池反向条件下，当电池输入开始变 为负后，由于栅源电压开始低于 MOSFET Vth 并变为负，MOSFET 将关断。

图 4-8. 采用 N 沟道 MOSFET 实现电池反向保护 节

4.1描述了动态反极性期间的性能类似于 P 沟道 MOSFET 解决方案。但是，并非所有系统都能承受开/关或负 载电流瞬变期间的系统接地电压跳跃，因此在系统设计期间需要考虑这一因素。 

5 反极性保护与反向电流阻断

V V 电池反向保护涉及两个方面的保护：通常称为反极性保护 (RPP) 和反向电流阻断 (RCB)。反极性保护也称反向连 接保护 (RHP)，可在电池反向连接期间输入端出现负电压或在感性负载与电池断开连接期间出现动态反极性条件 时，防止负载损坏。反极性保护不一定会阻止反向电流从负载或下游直流/直流转换器流入电池。在许多汽车子系 统中，大容量保持电容器用于在电池线路短暂中断或电池输入短路期间提供足够的备用电源，从而使子系统不间 断运行或在关闭前执行存储器转储等维护类辅助控制任务。反向电流阻断可防止反向电流从负载流回电池，并允 许保持电容器为子系统提供额外的备用时间，以便在各种动态反向电池条件或短暂中断期间正常工作。

5.2 基于 P 沟道和反极性保护控制器的解决方案的性能比较

基于 P 沟道 MOSFET 的反极性保护是工业和汽车应用中非常常用的方案，用于实现低插入损耗保护解决方案。 通过将 AP74500Q 与外部 N 沟道 MOSFET 结合使用来替代基于 P 沟道 MOSFET 的解决方案，可以实现低损 耗反极性保护解决方案。与基于 P 沟道 MOSFET 的解决方案相比，基于 AP74500Q 的反极性保护解决方案提 供更好的冷启动性能（以低输入电压运行）和更小的解决方案尺寸。图 5-2 比较了 AP74500Q + N 沟道 MOSFET 与基于传统 P 沟道 MOSFET 的反极性保护解决方案的性能优势。

如图 5-2 所示，对于给定的功率水平，AP74500Q + N 沟道 MOSFET 解决方案的尺寸可以只有具有类似额定功 率的 P 沟道 MOSFET 解决方案的三分之一。此外，P 沟道 MOSFET 通过将其栅极引脚拉低的简单方法来实现自 偏置，因此与 AP74500Q 相比，P 沟道 MOSFET 表现出较差的冷启动性能（以低输入电压运行）。在电池电 压低于 4V 的严苛冷启动期间，P 沟道 MOSFET 串联电阻急剧增加，如图 5-2 所示。这会导致 P 沟道 MOSFET 上的压降更高。此外，由于栅源电压阈值 (VT) 较高，有时关断 P 沟道 MOSFET 会导致系统复位。另一方面， AP74500Q 具有出色的严苛冷启动性能。AP74500Q 使外部 FET 保持完全增强，即使在严苛冷启动运行期间 输入电压降至 3.2V 也是如此。

图 5-2. 基于 P 沟道 MOSFET 和 AP74500Q 的反极性保护解决方案的性能比较

6 什么是理想二极管控制器？

理想二极管控制器可驱动外部 N 沟道 MOSFET 来仿真具有超低正向压降和可忽略不计的反向电流的理想二极 管。理想二极管控制器具有低工作静态电流、超低关断电流、稳压正向电压和快速反向电流响应等重要特性，因 此能够在各种应用中仿真理想二极管。功率 MOSFET 在连接后可确保 MOSFET 关断时其体二极管会阻断反向电 流。由于 MOSFET 在正向传导期间导通，正向压降和功率耗散将显著降低。理想二极管控制器可检测通过 MOSFET 的反向电流并将 MOSFET 关断，从而让体二极管阻断反向电流。理想二极管控制器可根据栅极控制机 制分为两类：线性调节控制和迟滞开/关控制。

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