Exploiter les avantages des diodes idéales avec des MOSFET intégrés

La technologie de diodes idéales offre de nombreux avantages aux applications électroniques, notamment des chutes de tension réduites, un contrôle amélioré des systèmes et des fonctions de protection robustes. Les concepteurs de produits peuvent exploiter le plein potentiel de ces solutions avancées pour créer des produits plus efficaces, plus compacts et plus robustes. Mais le choix de la diode idéale pour une application donnée requiert un juste équilibre entre de multiples facteurs, notamment les performances électriques, les considérations thermiques, la fiabilité, le coût et la conformité.

Les diodes traditionnelles présentent une chute de tension de 0,6 V à 0,7 V, et les diodes Schottky d'environ 0,3 V. Dans les applications à fort courant, ces chutes peuvent entraîner une perte de puissance importante. Une diode idéale (Figure 1) utilise un commutateur de puissance à faible résistance à l'état passant, généralement un MOSFET, pour imiter le comportement de flux de courant unidirectionnel d'une diode, mais sans la pénalité de chute de tension de la diode.

Figure 1 : Ce schéma illustre les différences entre une diode (en haut) et un circuit de diode idéale. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Un MOSFET de 10 mΩ à une charge de 1 A, par exemple, a une chute de seulement 10 mV par rapport à la chute typique de 600 mV avec une diode standard. Cette réduction de la chute de tension se traduit également par une dissipation de puissance considérablement inférieure. Une charge de 1 A dans un MOSFET de 10 mΩ dissipe 10 mW, contre 600 mW dissipés par une diode classique.

Avec un MOSFET en opposition supplémentaire et des circuits de commande, une solution de diode idéale intégrée peut offrir des fonctions plus avancées, notamment la sélection de la source prioritaire, la limitation du courant et la limitation du courant d'appel, ajoutant une couche de sophistication à la gestion de l'alimentation. Traditionnellement, cela nécessitait différents contrôleurs, ce qui rendait la réalisation d'une protection complète du système complexe et fastidieuse, mais l'ajout de MOSFET en opposition à une solution de diode idéale (Figure 2) fournit un contrôle total du système en permettant l'activation/la désactivation d'un ou des deux MOSFET, ou en limitant le courant.

Figure 2 : Schéma d'une solution de diode idéale utilisant des MOSFET en opposition pour des fonctionnalités et un contrôle avancés. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Les solutions intégrées offrent une protection robuste contre les défaillances systèmes les plus courantes, réduisant ainsi les temps d'arrêt. Des fonctionnalités telles que les seuils ajustables de verrouillage en cas de sous-tension (UVLO) et de verrouillage en cas de surtension (OVLO), les limites de courant programmables et la protection de blocage thermique garantissent que les systèmes restent opérationnels même en conditions défavorables. Les solutions intégrées peuvent également contribuer à minimiser le nombre de composants requis et l'espace carte.

Le remplacement des diodes Schottky traditionnelles par une solution intégrée MOSFET réduit considérablement la dissipation de puissance, ce qui est idéal pour les alimentations industrielles, les systèmes alimentés par batterie et l'exécution d'alimentation redondante dans les applications de télécommunications et de data centers. Cette solution peut également garantir une protection contre l'inversion d'entrée, prévenant ainsi les dommages causés par des inversions de polarité accidentelles.

Défis liés à la sélection de la diode idéale

Les solutions de diodes idéales intégrées sont conçues pour garantir le fonctionnement fiable et efficace dans les applications.

Mais les concepteurs qui tentent de sélectionner une diode idéale sont confrontés à une série de défis, notamment la gestion thermique, la tenue en courant, la tension nominale, la complexité d'intégration, le coût et la disponibilité des composants :

• Bien que les diodes idéales réduisent la dissipation de puissance, la gestion thermique reste une considération cruciale. Les concepteurs doivent s'assurer que la diode peut supporter la charge thermique sans compromettre les performances. Une dissipation thermique et une conception thermique appropriées sont essentielles pour éviter la surchauffe.
• La tenue en courant de la diode doit pouvoir gérer les charges de courant attendues de l'application sans dépasser les limites nominales. Cela implique d'évaluer la résistance RDS_(ON) de la diode et de s'assurer qu'elle reste dans des limites acceptables en conditions de charge maximum.
• La tension nominale de la diode doit être suffisante pour supporter les niveaux de tension maximum de l'application. Les concepteurs doivent prendre en compte à la fois la chute de tension directe et la tension nominale inverse pour garantir un fonctionnement fiable.
• Bien que les solutions intégrées offrent de nombreux avantages, elles peuvent également accroître la complexité du processus de conception. Les concepteurs doivent s'assurer que toutes les fonctionnalités intégrées, comme UVLO, OVLO et limites de courant, sont configurées de manière appropriée, ce qui peut nécessiter des temps de développement et de test plus longs.
• Les concepteurs doivent évaluer les avantages de l'intégration par rapport au coût supplémentaire et déterminer si les fonctionnalités ajoutées justifient la dépense.
• Les concepteurs doivent s'assurer que la diode sélectionnée est facilement disponible et qu'il n'y a pas de contraintes dans la chaîne d'approvisionnement susceptibles d'avoir un impact sur les calendriers de production.

Tirer parti des solutions intégrées

Analog Devices, Inc. (ADI), un leader en solutions de gestion de l'alimentation, propose un portefeuille de contrôleurs à diodes idéales qui exploitent les conceptions basées sur MOSFET. Les solutions intégrées de l'entreprise minimisent la dissipation de puissance, améliorent les performances thermiques et renforcent la fiabilité des systèmes, ce qui les rend essentielles pour les applications industrielles, automobiles, de télécommunications et alimentées par batterie.

Les solutions intégrées fusionnent les fonctionnalités des diodes idéales avec des fonctionnalités de protection système supplémentaires telles que la protection contre les surtensions et les sous-tensions, le remplacement à chaud et la protection par fusible électronique, et ce, dans un seul circuit intégré. Auparavant, ces fonctions étaient réparties entre différents contrôleurs, ce qui compliquait la réalisation d'une protection complète du système.

Les contrôleurs à diodes idéales d'ADI, tels que le MAX17614 (Figure 3), intègrent une protection avancée contre l'inversion d'entrée, une capacité de commutation rapide et une gestion haute tension, permettant une redondance d'alimentation transparente et un rendement énergétique amélioré. Le MAX17614 constitue une solution hautement intégrée qui fournit une diode idéale hautes performances avec plusieurs autres fonctions dans un seul circuit intégré pour complètement protéger un système d'alimentation.

Le MAX17614 offre une protection de blocage du courant inverse de 140 ns, permettant l'utilisation de condensateurs de maintien de sortie plus petits dans les applications de sélecteur de source d'alimentation prioritaire, ce qui peut améliorer le rendement global du système. Il combine des fonctions de sélecteur de source d'alimentation prioritaire/diode idéale avec des fonctions de limites de courant réglables, de remplacement à chaud, de protection par fusible électronique, et de protection contre les sous-tensions (UV) et les surtensions (OV).

Figure 3 : Dispositif de sélecteur de source d'alimentation/diode idéale MAX17614 d'ADI. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Solution plus compacte

Les solutions de diodes idéales intégrées minimisent le nombre de composants requis et l'espace carte. Par exemple, le MAX17614, avec deux transistors à effet de champ à canal N (NFET) intégrés, permet de réduire la taille de la solution jusqu'à 40 %.

Les NFET intégrés sont connectés en série avec une faible résistance RDS_(ON) typique cumulée de 130 mΩ. Ils peuvent être utilisés pour implémenter une fonction de diode idéale qui présente une protection contre la tension d'entrée inverse et le courant inverse avec un rendement système amélioré. La protection de sous-tension en entrée peut être programmée entre 4,5 V et 59 V, tandis que la protection de surtension peut être programmée indépendamment entre 5,5 V et 60 V. De plus, le dispositif présente un seuil UVLO par défaut interne défini à 4,2 V (typ.).

La compacité du MAX17614 est un avantage précieux dans les applications à espace limité. Avec un temps de réponse rapide, une haute tenue en tension et une perte de puissance minimale, ce dispositif a fait ses preuves dans les systèmes d'énergie solaire, la distribution d'alimentation USB-C, l'automatisation industrielle et les équipements médicaux, où une gestion efficace de l'alimentation et une haute fiabilité sont essentielles.

Par rapport aux MOSFET discrets, les NFET intégrés sont optimisés pour la gestion thermique, réduisant ainsi le besoin de composants de refroidissement supplémentaires. Ils permettent également une commutation rapide entre les sources d'alimentation dans les applications d'alimentation redondante utilisées pour les solutions de télécommunications et de data centers. Les NFET offrent également une protection contre l'inversion d'entrée, prévenant ainsi les dommages causés par des connexions de tensions incorrectes ou un retour d'alimentation.

Avec les NFET intégrés, la nomenclature (BOM) et la disposition des circuits imprimés sont simplifiées car les concepteurs n'ont pas besoin de rechercher et de sélectionner des MOSFET externes. Ils peuvent tirer parti de la réduction du nombre de composants pour créer des modèles plus petits et plus compacts.

ADI propose également le kit d'évaluation MAX17614EVKIT qui permet aux concepteurs de tester et d'intégrer le contrôleur à diodes idéales MAX17614 dans leurs solutions de gestion de l'alimentation. La carte d'évaluation fournit une plateforme pour évaluer le rendement, le comportement de commutation et les fonctionnalités de protection de la diode idéale basée sur NFET.

Le kit d'évaluation permet le prototypage de solutions de schéma d'alimentation efficaces pour les applications telles que les alimentations industrielles, les systèmes de gestion de batteries et l'exécution d'alimentation redondante dans les applications de télécommunications et de serveurs. Le kit permet d'analyser le comportement de tension et de courant dans différentes conditions de charge pour garantir une sélection des composants et une disposition de conception optimales, afin que les concepteurs puissent valider les performances des circuits avant de s'engager dans le développement à grande échelle.

Conclusion

La technologie de diode idéale offre un contrôle du schéma d'alimentation à faible perte et haut rendement pour les applications, y compris une dissipation de puissance réduite, une chute de tension minimisée et des performances thermiques renforcées. En optimisant le rendement énergétique, en réduisant la production de chaleur et en éliminant le besoin de dissipateurs thermiques encombrants, les diodes idéales améliorent la fiabilité des systèmes tout en simplifiant la conception des circuits imprimés. Le MAX17614 d'ADI et la carte d'évaluation associée permettent aux concepteurs de créer des solutions d'alimentation plus petites, plus efficaces et plus robustes pour un large éventail d'applications.