Aproveche las ventajas de los diodos ideales con MOSFET integrados

La tecnología de diodos ideales aporta numerosas ventajas a las aplicaciones electrónicas, como la reducción de las caídas de tensión, un mayor control del sistema y sólidas funciones de protección. Los diseñadores de productos pueden aprovechar todo el potencial de estas soluciones avanzadas para crear productos más eficientes, compactos y robustos. Pero seleccionar el diodo ideal para una aplicación requiere encontrar un equilibrio entre múltiples factores, como el rendimiento eléctrico, las consideraciones térmicas, la fiabilidad, el coste y la conformidad.

Los diodos tradicionales presentan una caída de tensión que oscila entre 0.6 V y 0.7 V, mientras que los diodos Schottky rondan los 0.3 V. En aplicaciones de alta corriente, esas caídas pueden provocar importantes pérdidas de potencia. Un diodo ideal (Figura 1) utiliza un interruptor de potencia de baja resistencia a la conexión, normalmente un MOSFET, para imitar el comportamiento de flujo de corriente unidireccional de un diodo, pero sin la penalización por caída de tensión del diodo.

Figura 1: Este diagrama ilustra las diferencias entre un diodo (arriba) y un circuito de diodos ideal. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Un MOSFET de 10 mΩ a una carga de 1 A, por ejemplo, solo tiene una caída de 10 mV en comparación con la caída típica de 600 mV a través de un diodo estándar. Esta reducción de la caída de tensión también se traduce en una disipación de energía significativamente menor. Una carga de 1 A a través de un MOSFET de 10 mΩ disipa 10 mW, frente a los 600 mW que disipa un diodo normal.

Con un MOSFET consecutivo (back-to-back) adicional y circuitos de control, una solución integrada de diodo ideal puede ofrecer funciones más avanzadas, como selección de fuente prioritaria, limitación de corriente y limitación de irrupción, añadiendo una capa de sofisticación a la gestión de la alimentación. Tradicionalmente, esto requería distintos controladores, por lo que resultaba complejo y engorroso realizar una protección total del sistema, pero si se añaden MOSFET consecutivos a una solución ideal de diodos (Figura 2) se consigue un control total del sistema al permitir el encendido/apagado de uno o ambos MOSFET, o limitando la corriente.

Figura 2: Diagrama de una solución de diodo ideal que utiliza MOSFET consecutivos para una funcionalidad y un control avanzados. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Las soluciones integradas ofrecen una sólida protección contra los fallos más comunes del sistema, reduciendo así el tiempo de inactividad del mismo. Funciones como los umbrales ajustables de bloqueo por subtensión (UVLO) y bloqueo por sobretensión (OVLO), los límites de corriente programables y la protección de apagado térmico garantizan que los sistemas sigan funcionando incluso en condiciones adversas. Las soluciones integradas también pueden ayudar a minimizar el número de componentes necesarios y el espacio de la placa.

La sustitución de los diodos Schottky tradicionales por una solución integrada de MOSFET reduce significativamente la disipación de potencia, por lo que resulta ideal para fuentes de alimentación industriales, sistemas alimentados por batería y OR-ing de alimentación redundante en aplicaciones de telecomunicaciones y centros de datos. También puede garantizar la protección de entrada inversa, evitando daños por inversiones accidentales de polaridad.

Desafíos en la selección del diodo ideal

Las soluciones integradas de diodos ideales están diseñadas para garantizar un funcionamiento fiable y eficaz en las aplicaciones.

Pero los diseñadores que intentan seleccionar un diodo ideal se enfrentan a una serie de desafíos, como la gestión térmica, el manejo de la corriente, la tensión nominal, la complejidad de la integración, el costo y la disponibilidad de componentes:

• Aunque los diodos ideales reducen la disipación de potencia, la gestión térmica sigue siendo una consideración crucial. Los diseñadores deben asegurarse de que el diodo puede soportar la carga térmica sin comprometer el rendimiento. Un disipador térmico y un diseño térmico adecuados son esenciales para evitar el sobrecalentamiento.
• La capacidad de manejo de corriente del diodo debe poder gestionar las cargas de corriente previstas de la aplicación sin superar los límites nominales. Esto implica evaluar el RDS_(ON) del diodo y asegurarse de que se mantiene dentro de los límites aceptables en condiciones de carga máxima.
• La tensión nominal del diodo debe ser suficiente para soportar los niveles máximos de tensión de la aplicación. Los diseñadores deben tener en cuenta tanto la caída de tensión directa como la tensión inversa para garantizar un funcionamiento fiable.
• Aunque las soluciones integradas ofrecen numerosas ventajas, también pueden introducir complejidad en el proceso de diseño. Los diseñadores deben asegurarse de que todas las funciones integradas, como UVLO, OVLO y límites de corriente, estén configuradas adecuadamente, lo que puede requerir tiempo adicional de diseño y pruebas.
• Los diseñadores deben sopesar las ventajas de la integración con el coste añadido y determinar si la funcionalidad añadida justifica el gasto.
• Los diseñadores deben asegurarse de que el diodo seleccionado está disponible y de que no hay restricciones en la cadena de suministro que puedan afectar a los plazos de producción.

Aprovechar las soluciones integradas

Analog Devices, Inc. (ADI), líder en soluciones de gestión de potencia, ofrece una cartera de controladores de diodos ideales que aprovechan los diseños basados en MOSFET. Las soluciones integradas de la empresa minimizan la disipación de energía, mejoran el rendimiento térmico y aumentan la fiabilidad del sistema, por lo que resultan esenciales para aplicaciones industriales, de automoción, telecomunicaciones y alimentadas por baterías.

Las soluciones integradas combinan la funcionalidad ideal de los diodos con funciones adicionales de protección del sistema, como sobretensión, subtensión, intercambio en caliente y protección eFuse, todo ello en un único circuito integrado. Antes, estas funciones estaban dispersas en varios controladores, lo que complicaba la realización de una protección total del sistema.

Los controladores de diodos ideales de ADI, como el MAX17614 (Figura 3), incorporan protección avanzada de entrada inversa, capacidades de conmutación rápida y manejo de alto voltaje, lo que permite una redundancia de energía sin interrupciones y una eficiencia energética mejorada. El MAX17614 es una solución altamente integrada que proporciona un diodo ideal de alto rendimiento con otras múltiples funciones en un único circuito integrado para proteger completamente un sistema de alimentación.

El MAX17614 ofrece una protección de bloqueo de corriente inversa de 140 ns, lo que permite el uso de capacitores de retención de salida más pequeños en aplicaciones de selector de fuente de alimentación prioritaria, lo que puede mejorar la eficiencia general del sistema. Combina las funciones de diodo ideal/selector de fuente de alimentación prioritaria con límites de corriente ajustables, intercambio en caliente, eFuse, protección contra subtensión (UV) y sobretensión (OV).

Figura 3: Dispositivo selector de diodo/fuente de alimentación ideal MAX17614 de ADI. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Solución de menor tamaño

Las soluciones integradas de diodos ideales minimizan el número de componentes necesarios y el espacio en la placa. Por ejemplo, el MAX17614, con dos transistores de efecto de campo (NFET) de canal N integrados, permite reducir hasta un 40% el tamaño de la solución.

Los NFET integrados están conectados en serie con un RDS_(on) típico acumulado bajo de 130 mΩ. Pueden utilizarse para implementar una función de diodo ideal que ofrezca protección contra la tensión de entrada inversa y la corriente inversa con una mayor eficiencia del sistema. La protección UV de entrada puede programarse entre 4.5 V y 59 V, mientras que la protección OV puede programarse independientemente entre 5.5 V y 60 V. Además, el dispositivo tiene un umbral de aumento UVLO interno predeterminado establecido en 4.2 V (típico).

La compacidad del MAX17614 es especialmente beneficiosa en aplicaciones donde el espacio es un bien escaso. Con un tiempo de respuesta rápido, capacidad de alto voltaje y mínima pérdida de potencia, ha demostrado ser popular para su uso en sistemas de energía solar, suministro de energía USB-C, automatización industrial y equipos médicos, donde la gestión eficiente de la energía y la fiabilidad son fundamentales.

En comparación con los MOSFET discretos, los NFET integrados están optimizados para la gestión térmica, lo que reduce la necesidad de componentes de refrigeración adicionales. También permiten conmutar rápidamente entre fuentes de alimentación en aplicaciones OR-ing de alimentación redundante empleadas para soluciones de telecomunicaciones y centros de datos. Los NFET también proporcionan protección de entrada inversa, evitando daños por conexiones de tensión incorrectas o retroalimentación.

Con los NFET integrados, la lista de materiales (BOM) y el diseño de la placa de circuito impreso se simplifican, ya que los diseñadores no necesitan obtener y seleccionar MOSFET externos. Pueden aprovechar la reducción del número de componentes para crear diseños más pequeños y compactos.

ADI también ofrece el kit de evaluación MAX17614EVKIT para que los diseñadores prueben e integren el controlador de diodo ideal MAX17614 en sus soluciones de gestión de potencia. La placa de evaluación proporciona una plataforma para evaluar la eficiencia, el comportamiento de conmutación y las características de protección del diodo ideal integrado basado en NFET.

El EVKIT permite crear prototipos de soluciones eficientes de rutas de alimentación para aplicaciones como fuentes de alimentación industriales, sistemas de gestión de baterías y OR-ing de alimentación redundante en aplicaciones de telecomunicaciones y servidores. El kit permite analizar el comportamiento de la tensión y la corriente en distintas condiciones de carga para garantizar una selección de componentes y un diseño óptimos, de modo que los diseñadores puedan validar el rendimiento del circuito antes de comprometerse a desarrollar una placa de circuito impreso a gran escala.

Conclusión

La tecnología de diodo ideal ofrece un control de la trayectoria de potencia de alta eficiencia y bajas pérdidas para aplicaciones, incluida la reducción de la disipación de potencia, la minimización de la caída de tensión y la mejora del rendimiento térmico. Al mejorar la eficiencia energética, reducir la generación de calor y eliminar la necesidad de voluminosos disipadores térmicos, los diodos ideales mejoran la fiabilidad del sistema a la vez que simplifican el diseño de las placas de circuito impreso. El MAX17614 de ADI y su placa de evaluación complementaria permiten a los diseñadores crear soluciones de alimentación más pequeñas, eficientes y resistentes en una amplia gama de aplicaciones.