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„Ideale Dioden“: Warum sie mehr Beachtung verdient haben

| Autor / Redakteur: Jim Harrison * / Kristin Rinortner

Bild 1: Ideale Diode MAX40200 als Stromschalter.
Bild 1: Ideale Diode MAX40200 als Stromschalter. (Bild: Maxim)

Ideale Dioden führen oft ein Schattendasein, denn viele Entwickler sind sich der Vorteile dieser kleinen Bauteile nicht bewusst. Ideale Dioden verwenden einen MOSFET, um wie eine Diode zu funktionieren, allerdings haben sie einen viel niedrigen Spannungsabfall und kleinere Leckströme.

Für ideale Dioden gibt es hauptsächlich drei Anwendungen. Eine davon ist der einfache Verpolungsschutz bei einem batteriebetriebenen Gerät. Dabei handelt es sich um eine zwischen der Batterie und der Anwendungsschaltung in Reihe geschaltete Diode.

Die zweite Anwendung ist eine Dioden-ODER-Schaltung für äußerst zuverlässige redundante Stromversorgungen. Die dritte Anwendung ist genau die gleiche Dioden-ODER-Schaltung, jedoch für eine Auswahlschaltung zwischen einem Onboard-Akku und einem Ladegerät – so wie sie in vielen Handys und tragbaren Geräten zu finden ist. Ideale Dioden werden zudem auch an Eingängen für die Stromversorgung als Überspannungsschutz verwendet.

Bei allen drei Anwendungen könnte der Entwickler anstatt einer Standard-Diode eine Schottky-Diode verwenden. Damit ergibt sich eine Reduzierung der Vorwärtsspannung, da bei einem Durchlassstrom von 1 A diese Spannung von 1,1 V (Standard-Diode) auf etwa 0,45 V (Schottky-Diode) zurückgeht. Eine ideale Diode jedoch bringt bei diesem Strom die Spannung auf 85 mV herunter – zudem ist sie günstig und weitaus kleiner. Eine ideale Diode verringert den Strombedarf, reduziert den Spannungsverlust (ein wichtiger Aspekt bei Niedervolt-Batterien) und nimmt weniger Platz auf der Leiterplatte ein.

Außerdem lösen ideale Dioden ein großes Problem der Schottky-Dioden. Diese haben sehr hohe Reverse-Leckströme: etwa 1 mA bei Bauelementen mit Stromstärken von 1 A. Dieser Leckstrom ist insbesondere bei Primärbatterien nachteilig. Eine ideale Diode weist typischerweise Reverse-Leckströme von weniger als 1 µA über den gesamten Temperaturverlauf auf.

Wie kommen Sie zu einer idealen Diode?

Es gibt drei Möglichkeiten, um an eine „ideale“ Diode zu kommen: Entwickler können eigene Dioden anfertigen, indem sie einen Treiber-IC für einen externen FET oder ein Bauteil mit integriertem FET verwenden. Die Ansteuerung des FET ist gar nicht so einfach, wie es scheint. Es ist wichtig, dass die Treiberschaltung die Vorwärtsspannung über den MOSFET ansteuert, um eine gleichmäßige Stromleitung von einem Pfad zum anderen ohne Schwankungen zu gewährleisten.

Bei einem Ausfall oder Kurzschluss der Stromquelle minimiert ein schnelles Abschalten die Reverse-Stromtransienten. Eine ideale Diode kann, wenn sie richtig implementiert ist, einen Frontend-Schutz für Batterie-Verpolung, Überspannungstransienten und Einschaltstrom bieten. Ideal-Dioden-Controller-ICs mit externen FETs sind für Nennströme bis 5 A und einer Nennspannung bis 80 V verfügbar.

Ein Beispiel für eine ideale Diode

Ein gutes Beispiel einer kompletten idealen Diode ist der MAX40200. Der Baustein arbeitet mit einer Versorgungsspannung von 1,5 bis 5,5 V bei einem Betriebsstrom bis 1 A und ist in einem kleinen 0,73 mm2 großen 4-Bump-WLP- bzw. SOT-23-5-Gehäuse verfügbar. Er ist thermisch geschützt und arbeitet über einen Temperaturbereich von–40 bis 125 °C. Ist der MAX40200 deaktiviert, sperrt er Spannungen bis zu 6 V in beide Richtungen.

In Bild 1 ist der interne FET symbolhaft dargestellt. Der p-Kanal-FET hat eine zusätzliche Schaltung, um die Drain-Source-Spannung des MOSFETs zu erfassen und um die Body-Diode, neben der Ansteuerung des Gates, mit dem Ruhestrom zu versorgen.

Sie sollten beachten, dass diese „ideale Diode“ im Gegensatz zu normalen Dioden nicht für die Gleichrichtung einer Wechselspannung geeignet ist. In Anwendungen, bei denen die Versorgung eine induktiv gekoppelte 60-Hz-Wechselspannung ist, sollten konventionelle Dioden zur Gleichrichtung verwendet werden. Der MAX40200 wurde für Anwendungen entwickelt, bei denen zwischen verschiedenen Gleichspannungsquellen gewechselt werden soll. Bei einem Durchlassstrom bis 100 mA weist der Chip einen geregelten Spannungsabfall von ca. 20 mV auf. Darüber hinaus steigt der Spannungsabfall beim maximalen Nenn-Durchlassstrom von 1 A nur auf etwa 90 mV.

Dieser kleine Spannungsabfall erhöht den Wirkungsgrad und die Betriebsdauer der Batterie erheblich. Das dynamische Verhalten des ICs ist in der Applikationsnotiz „Static and Dynamic Behavior of the MAX40200 in a Diode ORing Application.“ beschrieben. Weiterhin ist ein Evaluation-Kit verfügbar (MAX40200EVKIT).

Bild 2: Standard-Wahlschaltung für die Stromversorgung tragbarer Geräte.
Bild 2: Standard-Wahlschaltung für die Stromversorgung tragbarer Geräte. (Bild: Maxim)

Als Anwendungsbeispiel in Bild 2 dient eine zweizellige AAA-Batterie mit einer Kapazität von 1 Ah bei ca. 3 V. Wenn eine Schottky-Diode bei 1 A einen Spannungsabfall von 0,36 V zeigt, der MAX40200 aber nur 0,09 V, so ergibt die Differenz von 0,27 V eine Einsparung von 0,27 Wh. Somit läuft das Gerät bei einem Maximalstrom von 1 A um eine ganze Viertelstunde länger.

Die thermische Abschalttemperatur dieses IC liegt bei ca. 154 °C mit 12 °C Hysterese. Wenn die Ströme ca. 500 mA überschreiten, muss beim Design darauf geachtet werden, dass diese Temperatur nicht überschritten wird. Das thermische Verhalten des WLP-Gehäuses ist besser als beim SOT-Gehäuse.

Ideal-Dioden-Controller: Ein weiteres IC-Beispiel

Der Ideal-Dioden-Controller MAX16141 hat eine ganz andere Aufgabe als das vorher gezeigte Beispiel. Dieser Chip bietet Schutz des Systems gegen Reverse-Strom, Überstrom, Überspannung und Unterspannung am Eingang sowie thermische Überlastung. Er unterbricht und trennt bei einem fehlerhaften Eingangsstrom. Sein großer Betriebsspannungsbereich von 3,5 bis 36 V und ein niedriger Abschaltstrom von typischerweise 5 μA machen den IC zu einem idealen Bauteil für Anwendungen im Automobilbereich (für die er auch qualifiziert wurde).

Bild 3: Typische Anwendung des MAX16141 als Ideal-Dioden-Controller.
Bild 3: Typische Anwendung des MAX16141 als Ideal-Dioden-Controller. (Bild: Maxim)

In der Schaltung in Bild 3 treibt die Ladungspumpe des ICs das Gate des externen gegeneinander geschalteten n-FETs bis auf einen Wert von 9 V über den Source-Anschluss. Ein schneller Komparator sperrt den Reverse-Strom innerhalb von 1 μs, wenn die Eingangsspannung unter die Ausgangsspannung abfällt. Ein externer Strom-Messwiderstand zwischen RS und OUT überprüft, ob Überlastströme auftreten. Der maximale Strom ist einstellbar und wird durch die Wahl der FETs bestimmt. Die Eingänge OVSET und UVSET dienen zum Einstellen der Sollwerte für die Über- und Unterspannung am Eingang. Der MAX16141 ist in einem 16-poligen TQFN-Gehäuse mit Abmessungen von 4 mm x 4 mm x 0,75 mm verfügbar und arbeitet in einem Temperaturbereich von –40 bis 125 °C.

Fazit: Ideale Dioden finden in den meisten Schaltungen genug Platz. Vielleicht werden sie deshalb so wenig genutzt, weil Entwickler scheinbar nicht wissen, wo sie die Bauteile einsetzen könnten. So werden sie manchmal als Verstärker, manchmal für das Power Management und manchmal als Schutzschaltung klassifiziert. Für Entwickler lohnt es sich in jedem Fall, diese Bauteile zu berücksichtigen.

* Jim Harrison ist Chefredakteur bei Lincoln Technology Communications in San Francisco / USA.

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