Power-Tipp Robuste Spannungsversorgungen mit idealen Dioden

Anbieter zum Thema

Analog Devices

EBV Elektronik GmbH & Co. KG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

ROHM Semiconductor GmbH

Um die Verlustleistung bei batteriebetriebenen Geräten mit mehreren Spannungsquellen zu verringern, eigen sich ideale Dioden, da sie einen geringeren Spannungsabfall haben. Der Power-Tipp beschreibt, welche Vorteile derartige Schaltungen noch bieten.

Es gibt viele Anwendungen, die mit mehreren unterschiedlichen Spannungsquellen versorgt werden. Batteriebetriebene Geräte werden neben einer solchen primären Energiequelle häufig auch mit der Möglichkeit versehen, ein Steckernetzteil zu verwenden. Üblich ist ebenfalls eine Versorgung mit einem Netzteil als zusätzliche Energiequelle zu einer primären Energieversorgung über ein USB-Kabel.

Mehrere Möglichkeiten zur Stromversorgung eines Gerätes sind nicht nur angenehm für den Nutzer, sondern bieten auch eine höhere Robustheit durch Energiequellen-Redundanz.

Bildergalerie

Das Nutzen von verschiedenen Spannungsquellen bedingt einen höheren Schaltungsaufwand. Oft muss sichergestellt werden, dass eine Energiequelle nicht rückwärts in eine andere Energiequelle fließt und eventuell dadurch einen Schaden verursacht. Bild 1 zeigt einen einfachen Aufbau zum Schutz der jeweilig nicht genutzten Spannungsquelle. Dazu werden Dioden im Leistungspfad verwendet.

Das funktioniert zuverlässig, hat jedoch eine große Einschränkung. Bei einem solchen Aufbau wird immer diejenige Energiequelle verwendet, welche die höhere Spannung aufweist. Auch haben die Dioden im Leistungspfad einen Spannungsabfall von 150 bis 450 mV, welcher besonders bei niedrigen Spannungen eine hohe Verlustleistung erzeugt. Gerade bei batteriebetriebenen Geräten sind dieser erhöhte Verlustleistungen ungünstig.

Um die erwähnten Nachteile zu umgehen, eignen sich ideale Dioden. Mit diesem Begriff sind Bauteile gemeint, welche anstelle einer Diode, einen Leistungsschalter – meistens ein MOSFET – verwenden. Dieser hat in seinem eingeschalteten Zustand einen wesentlich geringeren Spannungsabfall. Dieser richtet sich nach dem tatsächlichen Stromfluss und ist abhängig vom Einschaltwiderstand (R_DS-ON) des Schalters.

Schaltung mit idealen Dioden

Bild 2 zeigt eine Schaltung mit zwei idealen Dioden, ausgeführt mit zwei LT4422-Bausteinen. Diese integrierten Schaltungen haben einen geringen Spannungsabfall durch den niedrigen Widerstand im Leistungspfad von 50 mΩ. Auch der Eigenstromverbrauch des ICs liegt bei nur 10 µA. In Bild 2 ist noch eine zusätzliche Funktion gezeigt. Es kann eine LED als Indikator hinzugefügt werden, um zu zeigen, welche Spannungsquelle zu einem bestimmten Zeitpunkt die Last mit Energie versorgt.

Die Schaltung in Bild 2 ist somit ein Ersatz für die Schaltung in Bild 1, mit einer geringeren Verlustleistung und erweiterten Möglichkeiten, wie der erwähnten LED Anzeige.

Versorgungsspannung frei bestimmen

Eine Eigenschaft ist bei Schaltungen mit Dioden und mit dem LT4422 jedoch gleichgeblieben. Die Spannungsquelle mit dem höheren Wert versorgt das Gerät mit Strom. Die ideale Diode (LT4422) hat zwar einen Einschalt-Pin (SHDN), die Bodydiode des eingebauten MOSFETs wird jedoch leitend, wenn die Eingangsspannung U_IN höher ist als die Ausgangsspannung U_OUT. Um das zu verhindern, gibt es ein Derivat des LT4422, den LT4423, der zwei MOSFETs im Leistungspfad einsetzt. Diese sind so angeordnet, dass die jeweiligen Bodydioden einen Stromfluss verhindern, wenn nicht beide MOSFETs gleichzeitig eingeschaltet sind.

Bild 3 zeigt eine Schaltung, bei welcher die Versorgungsspannung, die die Last mit Energie versorgt, frei bestimmt werden kann. Das Verhalten ist somit unabhängig von der jeweiligen Höhe der Versorgungsspannung. Da jedoch zwei integrierte MOSFETs benötigt werden, steigt der Widerstand im eingeschalteten Zustand von 50 mΩ (LT4422) auf nunmehr 200 mΩ (LT4423).

Abschließend bietet die Version mit den zwei MOSFETs (LT4423) noch die Funktion einer integrierten thermischen Abschaltung. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Diode schaltet sich die ideale Diode ab, wenn sich das Bauteil über 160°C erwärmt. Dadurch kann ein noch robusteres System erstellt werden.

Fazit: Ideale Dioden helfen nicht nur dabei, unterschiedliche Spannungsversorgungsoptionen für ein Gerät zuzulassen, sondern sie ermöglichen auch eine höhere Robustheit durch eine umgesetzte Redundanz. Zusätzlich werden Features wie eine Detektion des Versorgungszustandes mit einer LED sowie eine Schutzabschaltung bei zu hohen Temperaturen möglich. (kr)

* Frederik Dostal ist Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices.

(ID:50298256)