Autor: Anthony Huynh, Former Technical Staff

Introducción

Un diodo ideal utiliza un conmutador de alimentación de baja R_DS(ON), comúnmente un MOSFET, para imitar el comportamiento del flujo de corriente unidireccional de un diodo, pero sin las pérdidas generadas por la caída de tensión del diodo. Con un MOSFET y un circuito de control consecutivos, la solución puede ofrecer aún más funciones de control, como la selección de fuentes prioritarias, la limitación de corriente, la limitación de transitorios, etc. Tradicionalmente, estas funciones estaban distribuidas en diferentes controladores, lo que hacía complejo y engorroso realizar una protección completa del sistema. En este artículo vamos a revisar las especificaciones clave de un diodo ideal y veremos un ejemplo de aplicación, así como una nueva solución de diodo ideal que también integra otras funciones de control para conseguir diseñar una protección completa del sistema mediante un único circuito integrado.

La base del diodo ideal

La Figura 1 muestra un diodo ideal básico en el que se utiliza un MOSFET-N. El MOSFET se coloca en la dirección en la que su diodo interno está en la misma dirección de la función del diodo convencional (arriba). Cuando V_A es más alto que V_C, la corriente puede fluir de izquierda a derecha a través del diodo interno del MOSFET. El circuito de control enciende el MOSFET para reducir la caída de tensión en el diodo cuando la corriente fluye en esta dirección. Para evitar el flujo de corriente inversa (de derecha a izquierda), el circuito de control debe apagar el MOSFET rápidamente cuando V_C es mayor que V_A.

Un diodo ideal tiene una baja caída, determinada por la R_DS(ON) del MOSFET y el valor de la corriente. Por ejemplo, con una corriente de carga de 1A y un MOSFET de 10mΩ, la caída de tensión es de 1A × 10mΩ = 10mV en sus terminales, en comparación con una caída típica de 600mV en un diodo convencional. La disipación de potencia ideal del diodo interno del MOSFET es de 1A × 10mΩ = 10mW, que es significativamente menor en comparación con 1A × 600mV = 600mW (típico) de un diodo normal.

Figura 1. Diodo convencional y diodo ideal.

Los avances en la tecnología proporcionan MOSFETs de bajo R_DS(ON), por lo que agregar un segundo MOSFET consecutivo a una solución de diodo ideal aumenta un poco la caída de tensión, pero abre muchas posibilidades de control del sistema. La Figura 2 muestra este concepto.

Figura 2. Un diodo ideal con dos MOSFET back-to-back.

El Q1 original puede controlar y bloquear la corriente en sentido inverso, de V_B a V_A; y el MOSFET adicional, Q2, puede controlar y bloquear la corriente en directa desde V_A to V_B. Esta solución ofrece un control completo del sistema, permitiendo encender y apagar uno o ambos MOSFET, o bien regulando la corriente que pasa por ellos.

Especificaciones clave y aplicación de un diodo ideal

Un diodo ideal es aplicable a un gran número de aplicaciones. Por ejemplo, vamos a echar un vistazo a un sistema de energía de respaldo UPS industrial (Figura 3). El sistema utiliza 24V como fuente de alimentación principal. El rango de funcionamiento de esta fuente de alimentación es de 19.2 V_DC a 30 V_DC, con transitorios de hasta 60V. Además, se utiliza una batería de backup de 24V. Para garantizar la máxima autonomía en caso de necesitar el respaldo, la batería está completamente cargada a 24 V durante el funcionamiento normal (cuando la batería está en espera). Cuando se interrumpe la fuente de alimentación principal, la batería proporciona la energía al sistema, descargándose de 24V a menos de 19,2V hasta que el sistema ya no está operativo, o hasta que la fuente de alimentación principal vuelva, lo que ocurra primero. Es un ejemplo claro donde se necesita un circuito de diodo ideal como función OR para cambiar entre la fuente de alimentación del sistema y la batería de respaldo. Además de una función OR, el sistema también requiere protección contra OV, UV, hotswap y eFuse para mejorar la robustez del sistema contra fallas comunes.

Figura 3. Sistema de respaldo (backup) industrial UPS.

Selector de Fuente vs Función OR

La Figura 4 ilustra un concepto OR con dos fuentes de alimentación. Para facilitar la comprensión, aquí se utiliza el símbolo del diodo convencional en lugar de un circuito completo de diodos ideal. En esta sencilla configuración OR, la fuente de alimentación con mayor tensión es la que domina y alimenta la carga mientras la otra fuente está en espera. Esta solución funciona de manera efectiva si las fuentes de alimentación tienen diferentes valores de tensión y la de mayor tensión es la prioritaria. Si las fuentes de alimentación tienen tensiones similares o hay fluctuaciones en alguna tensión, el sistema puede estar cambiando la fuente de alimentación continuamente.

Figura 4. OR en las fuentes de alimentación.

Una función OR simple no es adecuada en este caso de uso (UPS industrial) por dos razones. En primer lugar, la tensión de la batería cargada es como la tensión de la fuente de alimentación, 24V. Las dos fuentes pueden estar intercambiándose, lo cual no es deseable. El efecto de la impedancia de la fuente y la corriente de carga amplifica aún más este problema. Por ejemplo, cuando V_S proporciona energía a la carga, la corriente de carga provoca una caída de tensión a través de la impedancia de la fuente V_S, lo que hace que su tensión caiga ligeramente por debajo de la tensión de la batería (actualmente sin carga). A continuación, la batería se enciende y ahora alimenta la carga, lo que de manera similar provoca una caída de tensión a través de la impedancia de la batería, lo que hace que la tensión de la batería disminuya. Mientras tanto, sin carga, la tensión de la fuente de alimentación principal aumenta, lo que hace que V_S intente tomar el control de nuevo. En esta situación, la vacilación entre las dos fuentes de energía continúa hasta que las dos tensiones se separan.

En segundo lugar, el rango de tensión de alimentación del sistema es de 19.2 V_DC a 30 V_DC, con un transitorio máximo de hasta 60V. Como la tensión de la batería de respaldo se carga a 24V_DC, la batería toma el control cuando la tensión de alimentación principal cae por debajo de la tensión de la batería, pero aún está en su rango de funcionamiento. Esto tampoco es deseable ya que la batería se descarga a una tensión de respaldo menor, lo que reduce su autonomía. El sistema intenta cargar y descargar la batería al mismo tiempo siempre que la tensión del sistema es inferior a 24 V y superior a su rango mínimo de funcionamiento. Aquí es donde un selector de fuentes se vuelve útil. La Figura 5 muestra un concepto de selector de fuente utilizando un diodo ideal con MOSFETs back-to-back. Con la pareja de MOSFETs, el controlador puede apagar completamente el camino de la corriente en ambas direcciones, como si abriera un interruptor mecánico. La Figura 6 es una representación simbólica del diodo ideal con dos MOSFET back-to-back. Este símbolo se utiliza en la Figura 5 para realizar una función de selector de fuente. En esta configuración, V_S se establece como prioridad y se cierra el camino para V_B y solo se abre éste cuando la V_S cae por debajo de su rango de tensión de funcionamiento.

Figura 5. Selector de fuente de alimentación.

Figura 6. Representación simbólica de diodo ideal con MOSFETs baack-to-back.

La Figura 7 ilustra el funcionamiento del selector de fuente mientras la batería está en modo de espera y durante el funcionamiento normal de respaldo.

Figura 7. Operativa del selector de fuente en ambos modos.

Otros requisitos importantes para la protección del sistema

Aunque la Figura 6 muestra un interruptor mecánico que está cerrado o abierto, hay que tener en cuenta que, con los circuitos de detección de corriente adecuados, el controlador también puede regular el flujo de corriente. Funciones valiosas como el límite de corriente transitoria (inrush) en la conexión en caliente (hotswap), la protección contra sobrecargas/cortocircuitos (eFuse) y la protección de la tensión (UV/OV) pueden realizarse utilizando los mismos MOSFET.

Hot Swap

Como se muestra en la Figura 3, nuestra placa base requiere una función de hotswap para limitar la corriente transitoria que se produce al cargar el condensador de entrada, C, cuando la placa está conectada a la placa posterior (donde residen la alimentación del sistema principal y la batería de respaldo). Esta función de hotswap se realiza mediante la detección y el control de la corriente que fluye a través de Q2 en la Figura 2.

eFuse

Esta función protege al sistema de condiciones de sobre corriente o cortocircuito. Usando el mismo Q2 en la Figura 2, se puede monitorizar, limitar e incluso cortar la corriente que fluye a través de él. La precisión del umbral del límite de corriente en una aplicación eFuse es importante para optimizar el consumo de energía del sistema.

UV/OV

El controlador monitoriza constantemente la tensión de la fuente de alimentación. El bloqueo del límite inferior de tensión (UVLO) mantiene el Q2 de la Figura 2 apagado de forma segura hasta que la tensión de la fuente de alimentación se eleva por encima de su nivel mínimo de funcionamiento (19,2 V en este caso). La protección contra sobretensiones (OV) apaga Q2 cuando la tensión de entrada supera un nivel máximo establecido (un valor elegido  >30 V en este caso).

Especificaciones importantes de un diodo ideal y cómo afectan al rendimiento del Sistema

Volvamos al diodo ideal y examinemos algunas especificaciones críticas cuando se usa en una función OR o como selección de fuente.

Tiempo de Respuesta de Corriente Inversa

Refiriéndose a la Figura 2, este tiempo de respuesta es el tiempo para que Q1 se apague después de que las tensiones V_A y V_B se inviertan y hagan que V_B sea mayor que V_A. Este tiempo de respuesta de corriente inversa, t_R, debe ser pequeño (100 ns) para evitar que la corriente inversa fluya de V_B hacia V_A. En este sistema, se puede producir una inversión de tensión cuando la fuente de energía dominante V_S, mientras alimenta la carga: (a) se apaga, (b) cambia a una tensión baja o (c) se cortocircuita. En esta situación, t_R evita o minimiza el flujo de corriente inversa desde el condensador de la placa (C) o desde la batería de respaldo, de regreso a V_S.

Recuperación tras una Sobretensión

En los sistemas sin batería de respaldo (Figura 8), el condensador C proporciona la energía de respaldo, comúnmente conocida como condensador de retención. En esta configuración, una sobretensión transitoria en V_A activa Q2 (Figura 8) para apagarse. El condensador proporciona la energía necesaria para mantener el sistema en funcionamiento mientras su tensión cae debido a la descarga. A medida que V_A vuelve al rango de funcionamiento normal, Q2 se vuelve a encender. El tiempo que tarda Q2 en volver a encenderse, t_ON, debe ser pequeño para minimizar la caída de tensión del condensador. La Figura 9 muestra una comparación relativa, donde la mitad de t_ON reduce la caída de tensión a la mitad dada la misma capacidad de retención.

Figura 8. Un sistema con condensador de retención.

Figura 9. Caída de tensión del condensador frente a t_ON.

Hemos examinado diferentes funciones como el selector de fuente, el hotswap, el eFuse, protecciones UV/OV y las especificaciones críticas para mejorar la robustez del sistema frente a fallos comunes del sistema. Implementar todo esto utilizando muchos circuitos integrados de una sola función es engorroso. La solución es compleja y requiere muchos componentes.

El MAX17614 es una nueva solución altamente integrada que proporciona una función de diodo ideal de alto rendimiento, así como muchas otras funciones para proteger completamente el sistema de alimentación, todo ello en un solo circuito integrado. El dispositivo funciona de 4,5V a 60V y proporciona una salida de 3A con funciones de diodo ideal o selector de fuente de alimentación prioritaria junto con funciones de límite de corriente ajustable, hotswap, eFuse, y protección UV y OV. La Figura 10 y la Figura 11 muestran esquemas simplificados del MAX17614 en una aplicación de tipo OR, así como en una aplicación de selector de fuente de alimentación prioritaria, respectivamente.

Figura 10. Funcion OR con el MAX17614.

Figura 11. Selector de fuente prioritaria con el MAX17614, donde V_S tiene prioridad.

Conclusión

La solución MOSFET back-to-back ofrece más funciones de control del sistema, como selección de fuente, hotswap, eFuse, UV/OV, etc. Las soluciones tradicionales que utilizan una combinación de circuitos integrados de una sola función para proporcionar una protección completa del sistema son complejas y engorrosas. Hemos examinado una aplicación de respaldo de energía de UPS y rápidamente hemos analizado una solución de diodo ideal que también integra otras funciones necesarias para una protección total del sistema en un solo circuito integrado, sin necesidad de hacer tan complejo el sistema.