Giới thiệu

Các hệ thống có độ tin cậy cao thường sử dụng các nguồn điện mắc song song hoặc nguồn pin để dự phòng và tăng độ tin cậy của hệ thống. Các vòng OR của điốt Schottky từ lâu đã được sử dụng để kết nối các nguồn điện này tại điểm tải. Tuy nhiên, điện áp rơi thuận của các điốt này làm giảm điện áp khả dụng và tiêu tán công suất đáng kể ở dòng điện cao. Tản nhiệt rất đắt tiền và cần một thiết kế phức tạp để giữ cho điốt Schottky luôn mát.

Một giải pháp tốt hơn là thay thế các điốt Schottky bằng các điốt lý tưởng dựa trên MOSFET. Điều này giúp giảm sụt áp và công suất tiêu tán, từ đó đơn giản hóa kích thước và chi phí của bố trí tản nhiệt, đồng thời tăng hiệu suất hệ thống. LTC4357 là một bộ điều chỉnh điốt lý tưởng điều khiển MOSFET kênh N và hoạt động trong dải điện áp từ 9V đến 80V.

Cách thức hoạt động

Nguyên lý hoạt động cơ bản của LTC4357 khá đơn giản. Một MOSFET bên ngoài, với cực nguồn được kết nối với nguồn điện, hoạt động như cực dương của diode, trong khi cực thoát hoạt động như cực âm. Khi cấp nguồn, một dòng điện tải ban đầu chạy qua thân diode của MOSFET. LTC4357 cảm nhận sự sụt giảm điện áp này và điều khiển MOSFET hoạt động. Mạch khuếch đại và bơm điện tích bên trong của LTC4357 cố gắng duy trì sự sụt giảm điện áp 25mV trên MOSFET. Nếu dòng điện tải gây ra sự sụt giảm điện áp lớn hơn 25mV, MOSFET sẽ được điều khiển hoàn toàn và điện áp rơi thuận trở thành bằng RDS _(ON) • I _load . Nếu có dòng điện tải ngược, như có thể xảy ra trong trường hợp ngắn mạch đầu vào, LTC4357 sẽ phản hồi bằng cách nhanh chóng kéo cực cổng của MOSFET xuống mức thấp trong thời gian dưới 0,5μs.

Phân bổ tải cho các vật tư tiêu hao dự phòng.

Hình 1 minh họa một ứng dụng diode OR 48V/10A lý tưởng. Một diode Schottky MBR10100 sẽ tiêu tán 6W trong điều kiện hoạt động này. Ngược lại, một MOSFET FDB3632 7,5mΩ chỉ tiêu tán 7,5mΩ • (10A) ^² = 0,75W. Việc giảm tổn thất điện năng giúp tăng hiệu suất và tiết kiệm không gian cần thiết cho tản nhiệt. Nếu điện áp nguồn gần bằng nhau, dòng điện tải sẽ được chia sẻ giữa hai nguồn. Ngược lại, nguồn có điện áp đầu ra lớn nhất sẽ cung cấp dòng điện tải.

Việc chia sẻ tải được thực hiện bằng một kỹ thuật đơn giản gọi là droop. Dòng điện chia sẻ tải ban đầu được cấp từ đầu ra nguồn cao nhất; do đó, khi đầu ra giảm hoặc giảm xuống khi công suất tăng, tải nguồn thấp hơn bắt đầu tham gia. Điều khiển điện áp thuận, giảm xuống 25mV, đảm bảo việc chia sẻ tải mượt mà giữa các đầu ra mà không gây dao động. Mức độ chia sẻ là một hàm của RDS _(on) của MOSFET , trở kháng nguồn đầu ra và tín hiệu đầu ra ban đầu. Việc cấp ngược điện áp từ nguồn này sang nguồn khác được ngăn chặn bởi hoạt động của diode LTC4357.

Ứng dụng của năng lượng mặt trời.

Trong các hệ thống năng lượng mặt trời, điốt Schottky được sử dụng để ngăn ngừa hiện tượng xả pin trong thời gian tối. Tuy nhiên, sự sụt giảm điện áp và công suất tiêu tán của điốt Schottky có thể khá lớn khi sử dụng với các tấm pin mặt trời công suất cao, do đó làm giảm lượng điện năng có sẵn để sạc pin. Hình 2 sử dụng IC LTC4357 với MOSFET FDB3632 để thay thế điốt Schottky.

Khi tấm pin mặt trời sáng lên, ánh sáng mặt trời sẽ sạc pin. Bộ điều chỉnh điện áp sẽ hấp thụ dòng điện sạc dư thừa để ngăn ngừa tình trạng sạc quá mức. Nếu dòng điện thuận vượt quá 25mV/R _DS(ON) , MOSFET sẽ được kích hoạt hoàn toàn và điện áp giảm sẽ tăng theo công thức R _DS(ON) • (I _pin + I _tải ). Trong bóng tối, hoặc trong trường hợp ngắn mạch trên tấm pin mặt trời hoặc hỏng hóc linh kiện điều chỉnh điện áp, điện áp đầu ra của tấm pin mặt trời sẽ thấp hơn điện áp của pin. Trong trường hợp này, LTC4357 sẽ tắt MOSFET, do đó pin sẽ không bị xả. Dòng điện được lấy từ pin vào chân OUT của LTC4357 chỉ là 7μA ở điện áp 12V.

Bảo vệ chống lại tín hiệu phản hồi.

Trong các ứng dụng ô tô, đầu vào của LTC4357 có thể đảo chiều. Linh kiện bổ sung được thể hiện trong Hình 3 ngăn MOSFET mở và bảo vệ LTC4357 khỏi đầu vào ngược. Một diode được nối với đất hệ thống sẽ phân cực ngược MOSFET. Chân GND được kéo bởi một diode thứ hai trong phạm vi 700mV so với điện áp đầu vào ngược. Bất kỳ tải hoặc dòng rò nào cũng sẽ có xu hướng giữ đầu ra gần với đất hệ thống, khiến LTC4357 bị phân cực vào trạng thái chặn. Nếu đầu ra được giữ ở mức +12V bằng nguồn dự phòng hoặc bằng điện tích được lưu trữ trong tụ điện đầu ra, điện áp xuất hiện trên MOSFET sẽ xấp xỉ gấp đôi điện áp đầu vào. Khi đó, MOSFET sẽ đóng và duy trì ở trạng thái chặn.

Tóm tắt

Bộ điều chỉnh điện áp bằng diode lý tưởng LTC4357 có thể thay thế các diode Schottky trong nhiều ứng dụng. Giải pháp đơn giản này giúp giảm thiểu cả sự sụt giảm điện áp và công suất tiêu tán, do đó giảm nhiệt lượng tỏa ra, tiết kiệm không gian lắp đặt và tổn thất điện năng. Dải điện áp hoạt động rộng từ 9V đến 80V và điện áp định mức tối đa tuyệt đối là 100V hỗ trợ nhiều điện áp đầu vào và ứng dụng khác nhau, bao gồm ô tô, viễn thông và công nghiệp. LTC4355 có hai phiên bản: một phiên bản kép với kích thước 4mm × 3mm trong gói DFN-14 hoặc một phiên bản SSOP-16.