理想的二极管使用低导通电阻功率开关，通常是MOSFET，来模拟二极管的单向电流流动行为，但没有损耗二极管的电压降惩罚。通过额外的背对背MOSFET和控制电路，该解决方案可以提供更多的系统可控性功能，如优先源选择，电流限制，浪涌限制等。传统上，这些功能分散在不同的控制器中，使得实现系统的全面保护变得复杂和繁琐。让我们检查理想二极管的关键电路规格，并查看一个应用示例以及一个新的理想二极管解决方案，该解决方案还集成了在单个IC中实现整个系统保护所需的其他功能。

理想二极管

图1展示了一个基本的理想二极管，其中使用了n沟道功率MOSFET。MOSFET被放置在其固有体二极管与二极管功能模拟的方向相同的方向上(上)。当V(A)大于V(C)时，电流可以自然地从左向右流过本征二极管。当电流朝这个方向流动时，控制电路打开MOSFET以减小正向压降。为了防止反向电流(从右到左)，当V(C)高于V(A)时，控制电路必须快速关闭MOSFET。理想的二极管具有低电压降，由MOSFET的R(DS(ON))和电流大小决定。例如，在1 a负载下，10 毫欧 MOSFET在其端子上具有1 a × 10 毫欧 = 10 mV的压降，而在普通二极管上具有600 mV的典型压降。理想的二极管功耗为1 A(2) × 10 毫欧 = 10 mW，与常规二极管的1 A × 600 mV = 600 mW(典型)相比显着降低。

MOSFET技术的进步提供了低R(DS(ON))的MOSFET。在理想的二极管解决方案中添加背对背MOSFET会稍微增加电压降，但会增加许多系统可控性功能。图2显示了这个电路的概念。

原来的Q1可以控制和阻断从V(B)到V(A)的反向电流。附加的MOSFET Q2可以控制和阻断从V(A)到V(B)的正向电流。该解决方案通过打开/关闭一个或两个mosfet，或在任何方向上限制流过它们的电流，提供整体系统控制。

理想二极管应用实例及关键规格

理想二极管有许多应用。让我们看看一个工业UPS备用电源系统(图3)。该系统使用24v作为主电源。该电源工作范围为19.2 V(DC) ~ 30v (DC)，瞬态电压可达60v。备用电源采用24v蓄电池。为保证最大备用功率，正常使用时(电池待机状态下)电池应充满至24v。当主电源中断时，蓄电池提供备用电源，从24v放电至19.2 V以下，直到系统无法运行，或直到主电源恢复，两者以较早者为准。这里需要一个理想的二极管电路，作为在系统电源和备用电池之间切换的ORing功能。除了具有ORing功能外，系统还具有过压、欠压、热插拔和eFuse保护功能，以提高系统对常见故障的鲁棒性。

环与源选择器

图4演示了一个电源ORing概念。为简单起见，此处使用二极管符号代替理想的二极管电路。在这个简单的ORing配置中，具有较高电压的电源占主导地位并为负载供电，而另一个电源处于备用状态。如果电源具有不同的电压值，则此解决方案有效。当两个电压接近或电压波动时，电源可能会前后切换，从而导致电压值交叉。

一个简单的ORing函数在这个用例中是不够的，原因有两个。首先，电池电压就像系统标称电压在24v。这两个源可能会来回切换，这是不希望看到的。源阻抗和负载电流的影响进一步放大了这个问题。例如，当V(S)向负载供电时，负载电流在V(S)源阻抗上引起压降，使其终端电压略低于电池终端电压(目前处于空载状态)。然后电池被接通，现在承载负载电流，这同样会导致电池阻抗上的电压下降，导致电池终端电压下降。同时，没过多久，主电源端电压上升，使V(S)试图接管。在这种情况下，两个电源之间的振荡持续，直到两个电压彼此漂移。

其次，24v系统电源电压范围为19.2 V(DC)至30v (DC)，暂态峰值电压可达60v。当备用电池电压充电至24v (DC)时，当主电源电压低于电池电压但仍在其工作范围内时，电池接管。这也是不希望的，因为电池放电到一个较低的最佳备用电压。当系统电压低于24v且高于其最小工作范围时，系统可能会尝试同时对电池进行充电和放电。这就是源选择器变得方便的地方。图5显示了一个使用理想二极管和背靠背MOSFET的源选择器概念。使用背靠背的mosfet，控制器可以完全关闭两个方向的电流路径，就像打开机械开关一样。图6是具有背靠背mosfet的理想二极管的符号表示。图5中使用这个符号来实现一个源选择器函数。在此配置中，将V(S)设置为高优先级。V(B)关断，只有当V(S)低于其工作电压范围时才接通。

图7说明了电池处于待机状态和备份状态时的源选择器操作。

其他重要的系统保护要求

尽管图6描绘了一个机械开关，它要么闭合要么打开，但请注意，通过适当的电流传感电路，控制器也可以调节电流。有价值的功能，如浪涌限制(热插拔)，过载/短路保护(eFuse)，欠压/过压(UV/OV)可以使用相同功率的mosfet已经实现。

热插拔

如图3所示，我们的系统板需要一个热插拔功能，以限制当板插入背板(主系统电源和备用电池所在的地方)时向输入电容C充电的涌流。这个热插拔功能是通过检测和控制流过图2中Q2的电流来实现的。

eFuse

该功能可防止系统过流或短路。使用图2中相同的Q2，监视、限制和关闭流过它的电流。在eFuse应用中，电流限制阈值精度对优化系统功率预算非常重要。

紫外线/机汇

控制器持续监测电源电压。欠压闭锁(UVLO)保持Q2(图2)安全关闭，直到电源电压上升到其最小工作电平(19.2 V)以上。过压保护(OV)在输入电压瞬变高于设定的最大电平时(在本例中为选定的30v值)，将Q2关闭。

理想二极管电路的重要规格及其对系统性能的影响

让我们回到理想二极管，并检查在ORing或源选择器函数中使用它时的一些关键规范。

反向电流响应时间

参考图2，这是电压V(A)和V(B)反转并使V(B)大于V(A)后Q1关断的时间。这个反向电流响应时间t(R)必须很小(100ns)，以防止反向电流从V(B)回流到V(A)。在这个系统中，当主导电源V(S)在驱动负载时，要么关闭，要么瞬变到低电压，要么短路，就会发生反向电压。在这种情况下，t(R)阻止或最小化从电路板电容器C或从备用电池返回到V(S)的反向电流。

过压后恢复

在没有备用电池的系统中(图8)，电容器C提供备用电源，通常称为保持电容。在此配置中，V(S)上的瞬态过电压条件触发Q2(图8)关闭。当电压因放电而下降时，电容器提供必要的功率以保持系统运行。当V(S)返回正常工作范围时，Q2重新打开。Q2重新接通的时间t(on)必须很小，以尽量减少电容器电压降。图9显示了一个相对比较，其中一半t(ON)在给定相同的保持电容量的情况下将电压降降低到一半。

我们研究了不同的功能，如源选择器、热插拔、eFuse、UV/OV和关键规范，以提高系统对常见系统故障的稳健性。使用许多单一功能ic来实现所有这些功能是很麻烦的。解决方案很复杂，需要很多组件。MAX17614是一款高度集成的新型解决方案，提供高性能理想二极管功能以及许多其他功能，以充分保护单个IC中的电源系统。该器件工作范围为4.5 V至60 V，提供3a输出解决方案，具有理想二极管/优先电源选择功能，具有可调限流，热插拔，eFuse, UV和OV保护。图10和图11分别显示了MAX17614在一个ORing应用程序和一个优先电源选择器应用程序中的简化原理图。

结论

背对背MOSFET解决方案提供了更多的系统可控性功能，如源选择，热插拔，eFuse, UV/OV等。使用单一功能集成电路的组合来提供完整的系统保护的传统解决方案既复杂又麻烦。我们研究了一个UPS电源备份应用，并快速研究了一个理想的二极管解决方案，该解决方案还集成了单个IC中整个系统保护所需的其他功能。