PowerPath控制器、理想二极管和优先排序器入门

由多个直流电源供电的电子系统很常见 - 它们包括手持设备（USB 端口和电池）、便携式仪器（墙上适配器和电池）和高可用性服务器（主电源轨和冗余/辅助电源轨）。选择正确的输入电源为系统供电并非易事，因为不正确的实现会在电源之间振荡，导致电源掉电，或者通过允许反向电流损坏输入电源。凌力尔特的电源路径™控制器简化了动态电源选择的任务。

电源路径控制器

多输入电源系统具有将输入电源多路复用至公共输出负载的开关。PowerPath 控制器基本上顾名思义 — 它选择并控制电源流向系统的路径。控制器根据最高电压或最高优先级选择输入源;前一种称为理想二极管，而后者称为优先排序器。PowerPath 控制器采用集成或外部、单通道或背靠背、P 沟道或 N 沟道 MOSFET 开关，为公共输出负载多路复用多达三个输入电源。通过采用多个控制器对三个以上的电源进行多路复用。

图1.用于多个电源输入的 PowerPath 控制器

理想二极管

理想二极管是周围带有控制电路的MOSFET（图2），在正向偏置条件下（输入电压大于输出电压）以低压降（低于50mV）导通，在反向偏置（输入电压小于输出电压）时关断。与功率肖特基二极管相比，理想二极管（又名有源二极管）可将电压和功率损耗降低十倍或更多。散热要求最小化，形成紧凑的解决方案。低压电源（5V、3.3V或更低）应用可获得更大的电压裕量。理想二极管还包括标准二极管所不具备的附加监控和保护功能。与传统二极管一样，理想二极管将（二极管-OR）电源组合在一起，以便在输入故障或短路时提供冗余。此外，它们还可用于输入掉电期间的输出电源保持、电池反向保护 （LTC4359） 或平衡电源电流 （LTC4370）。

图 2：N 沟道和 P 沟道理想二极管控制器

理想二极管两端的压降可以计算为I负荷• RDS（ON）.对于 5mΩ RDS（ON）MOSFET具有10A负载电流，理想的二极管压降计算为50mV。表1比较了在不同输入电源电压下，该电压损耗与功率肖特基二极管的500mV典型压降。如图所示，肖特基二极管的压降在低电源电压下变得无法忍受，从而消耗了很大一部分工作电压。理想二极管是低输入电压下唯一可行的解决方案。

 

V在	电压损耗占输入电压的百分比
	500mV 肖特基二极管	50mV 理想二极管
1.8V	28楼	2.8%
3.3V	15楼	1.5%
5V	10楼	1楼
12V	4.2%	0.4%
48V	1楼	0.1%

 

理想二极管功耗计算公式为I负荷2• RDS（ON），而对于0.5V肖特基二极管，计算公式为0.5V • I负荷.图3比较了这两种二极管的功耗：理想的二极管节能随着负载电流的增加而增加，省去了散热器或缩小了散热器，从而节省了电路板面积。

图3：肖特基二极管和理想二极管功率损耗与负载电流的关系

实际操作中的理想二极管

构建理想二极管有两种方法，一种采用比较器，另一种采用线性伺服放大器。基于比较器的技术要么允许直流反向电流（可能损坏电源），要么在轻负载电流或电源切换期间在开和关之间振荡，从而向系统注入噪声。相反，MOSFET 两端正向压降的线性控制可确保平稳的电源切换，即使在轻负载下也不会发生振荡。因此，线性伺服是所有凌力尔特理想二极管使用的技术。N 沟道 MOSFET 源极至漏极两端的压降由放大器调节至一个小基准电压。在图4a中，即使负载电流发生变化，输入电源电压（NFET源）和负载电压（NFET漏极）之间仍保持15mV的差值。随着负载的增加，栅极电压将以其最大值熄灭，MOSFET表现为电阻器，其正向压降随电流线性增加。图4b显示了该15mV理想二极管的IV特性。

图 4a. 基于线性伺服放大器的理想二极管实现

图 4b. 相应的理想二极管 IV 特性

理想的二极管MOSFET是反向的吗？

这是寻找理想二极管电路时的一个常见问题。让我们考虑图2中的N沟道理想二极管。N 沟道功率 MOSFET 具有从源极到漏极的固有体二极管（即阳极连接到源极和阴极连接到漏极）。如果漏极引脚连接到输入端，源极连接到输出端，则体二极管允许反向电流从负载流向电源，这是不希望的。因此，N沟道MOSFET的源极引脚连接到理想二极管电路中的输入端。在这种方向下，负载电流流过体二极管，直到 MOSFET 栅极导通，电流通过 MOSFET 沟道转移。

优先级排序器

二极管OR选择最高电压的输入电源为输出供电（当输入电压接近时，存在一些压降均流）。这适用于具有类似标称电压的冗余电源。在某些应用中，特别是在由墙上适配器和电池供电的便携式电子设备中，电压不是为系统供电的主要标准。只要墙上适配器可用，它就会为系统供电，即它比电池具有更高的优先级。优先级排序器使用户能够选择出现在负载上的电源，而与电压电平无关。这可以通过理想的二极管OR电路来实现，该电路使用电阻分压器（R12A、R5C）监视高优先级电源（图2中的2V墙上适配器），只要优先级较高的电源可用（高于2V门限），就会禁用优先级较低的电源（E9#输入）。需要一个额外的MOSFET （Q3）来阻断通过备用电源（2节锂离子电池）上的理想二极管MOSFET （Q4）体二极管的并联正向电流路径。

图 5：优先考虑 12V 墙上适配器而不是 14.4V 4 芯锂离子电池

上述实现适用于 2 输入系统，但对于 3 输入系统会变得复杂。LTC4417 优先排序器专为对 2.5V 至 36V 范围内的三个电源进行优先排序而设计（图 6）;它在三个输入中选择优先级最高的有效电源来为负载供电。优先级由引脚分配定义（V1为最高优先级，V3为最低优先级），而电源在1ms内由5.256%精度的欠压和过压阈值设置的电压窗口内后，则视为有效。LTC4417 简化了设计，从手持式和高可用性电子设备中常见的多个不同电压源获得电源。在此类系统中，优先排序器是比简单的二极管OR更好的解决方案，特别是当首选电源不是最高电压时。有限的电源（如电池（V2，14.8V））的优先级可能低于墙上适配器（V1，12V），即使电池电压较高，也会延长电池运行时间。

 

图 6：LTC4417 三通道优先排序器电路和操作

场效应管类型和配置

N 沟道和 P 沟道 PowerPath 控制器均可用。此外，可以集成MOSFET，或者控制器可能需要外部MOSFET。每个选项都为电路的工作方式提供了灵活性。N 沟道 MOSFET 比 P 沟道 MOSFET 具有更高的迁移率，并承载更多的电流;对于高电流应用（5A以上），N沟道MOSFET可能是首选。但是，N 沟道控制器需要高于电源电压的栅极电压来增强（导通）MOSFET。这就是电荷泵或升压稳压器内置在正电源N沟道控制器内的原因。P 沟道控制器将 MOSFET 栅极拉低以导通，无需电荷泵。集成 MOSFET 提供紧凑的解决方案，但电流水平有限;外部 MOSFET 控制器允许用户针对特定电流电平优化 MOSFET，最低 RDS（ON）（包括并联多个MOSFET用于大电流应用）、热性能等单个 MOSFET 允许正向电流流过其体二极管，即使 MOSFET 沟道被栅极关闭。为了在栅极关断期间完全阻断正向和反向电流，一些控制器能够驱动背靠背连接的MOSFET（图2中的Q3、Q5）。

总结

凌力尔特提供了多种 PowerPath 控制器，与典型二极管相比，这些控制器可最大限度地降低功耗、降低压降并提供更多功能。这些器件是各种应用的理想选择，从高端数据通信和服务器系统到便携式电池供电产品。

审核编辑：郭婷