LTC4358 5A 理想二極管：高效電源解決方案

在電子工程師的日常工作中，電源設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的一環(huán)。其中，如何高效地實(shí)現(xiàn)電源的并聯(lián)和防止反向電流，一直是我們關(guān)注的重點(diǎn)。今天，我們就來詳細(xì)探討一款非常實(shí)用的理想二極管控制器——LTC4358。

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1. 功能特性

LTC4358具有諸多令人矚目的特性，正是這些特性使得它在眾多電源應(yīng)用中脫穎而出。

• 替代肖特基二極管：內(nèi)部集成了20mΩ的N溝道MOSFET，能夠有效替代功率肖特基二極管，大大降低了功耗和散熱問題。以往使用肖特基二極管時(shí)，其正向壓降會(huì)導(dǎo)致能量損耗和發(fā)熱，而LTC4358的出現(xiàn)很好地解決了這些問題。
• 快速關(guān)斷時(shí)間：僅0.5μs的關(guān)斷時(shí)間，能夠有效限制峰值故障電流。在電源出現(xiàn)故障或短路時(shí)，快速的關(guān)斷時(shí)間可以保護(hù)電路不受過大電流的沖擊，提高系統(tǒng)的可靠性。大家可以思考一下，如果關(guān)斷時(shí)間過長會(huì)對(duì)整個(gè)電路造成怎樣的影響呢？
• 寬工作電壓范圍：其工作電壓范圍為9V至26.5V，能夠適應(yīng)多種不同的電源系統(tǒng)。這使得LTC4358在不同的應(yīng)用場景中都能穩(wěn)定工作，為工程師提供了更多的選擇。
• 平滑切換：在二極管“或”應(yīng)用中，LTC4358能夠?qū)崿F(xiàn)平滑切換而不會(huì)產(chǎn)生振蕩。當(dāng)電源進(jìn)行切換時(shí)，平滑的過渡可以避免對(duì)負(fù)載造成沖擊，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 無反向直流電流：這一特性有效防止了反向電流對(duì)電源和負(fù)載的損害，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的安全性。

此外，LTC4358還提供14引腳（4mm × 3mm）DFN和16引腳TSSOP兩種封裝形式，方便不同的電路布局需求。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

LTC4358的應(yīng)用范圍非常廣泛，以下是一些主要的應(yīng)用領(lǐng)域：

• N + 1冗余電源：在需要高可靠性電源的系統(tǒng)中，N + 1冗余電源是常用的解決方案。LTC4358能夠輕松實(shí)現(xiàn)電源的并聯(lián)，當(dāng)其中一個(gè)電源出現(xiàn)故障時(shí)，其他電源可以繼續(xù)為負(fù)載供電，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
• 高可用性系統(tǒng)：如通信基站、服務(wù)器等對(duì)系統(tǒng)可用性要求極高的設(shè)備，LTC4358的快速關(guān)斷和無反向電流特性可以有效提高系統(tǒng)的可靠性，減少故障停機(jī)時(shí)間。
• 電信基礎(chǔ)設(shè)施：在電信設(shè)備中，電源的穩(wěn)定性和效率至關(guān)重要。LTC4358能夠滿足電信基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)電源的嚴(yán)格要求，為設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。
• 汽車系統(tǒng)：汽車電子系統(tǒng)對(duì)電源的可靠性和抗干擾能力有很高的要求。LTC4358的寬工作電壓范圍和快速響應(yīng)特性使其非常適合汽車系統(tǒng)的應(yīng)用。

3. 工作原理

LTC4358作為一款單正電壓理想二極管控制器，通過驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的N溝道MOSFET作為開關(guān)晶體管來替代肖特基二極管。其工作過程如下：

• 上電階段：在電源上電時(shí)，負(fù)載電流最初通過內(nèi)部MOSFET的體二極管流動(dòng)。隨后，內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通，放大器會(huì)嘗試將IN和OUT連接之間的電壓降調(diào)節(jié)到25mV。
• 正常工作階段：當(dāng)負(fù)載電流導(dǎo)致電壓降超過25mV時(shí)，MOSFET會(huì)完全導(dǎo)通，此時(shí)電壓降等于 (R{DS(ON)} cdot I{LOAD}) 。如果負(fù)載電流減小，導(dǎo)致正向壓降低于25mV，內(nèi)部MOSFET會(huì)通過弱下拉驅(qū)動(dòng)降低導(dǎo)通程度，以維持25mV的壓降。
• 故障保護(hù)階段：當(dāng)電源出現(xiàn)故障，如供電電源短路接地時(shí)，反向電流會(huì)暫時(shí)通過導(dǎo)通的LTC4358理想二極管。不過，該理想二極管會(huì)在500ns內(nèi)關(guān)斷，防止反向電流上升到危險(xiǎn)水平，同時(shí)將對(duì)輸出的干擾降至最低。

4. 典型應(yīng)用

4.1 兩路電源輸出“或”操作

當(dāng)使用兩個(gè)LTC4358將兩路電源的輸出組合時(shí)，輸出電壓最高的電源將提供大部分或全部電流。如果該電源在提供負(fù)載電流時(shí)輸出突然短路接地，電流會(huì)暫時(shí)反向并流經(jīng)LTC4358。此時(shí)，LTC4358理想二極管會(huì)迅速關(guān)斷。如果另一個(gè)初始輸出電壓較低的電源在故障發(fā)生時(shí)沒有提供負(fù)載電流，輸出電壓會(huì)下降，直到LTC4358的體二極管導(dǎo)通。同時(shí)，內(nèi)部放大器會(huì)導(dǎo)通MOSFET，直到正向壓降降至25mV。如果該電源在故障發(fā)生時(shí)正在提供負(fù)載電流，其“或”MOSFET已經(jīng)至少部分導(dǎo)通，此時(shí)會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)導(dǎo)通程度，以維持25mV的壓降。

4.2 負(fù)載共享

通過一種簡單的稱為下垂共享的技術(shù)，LTC4358可以將多個(gè)冗余電源的輸出組合起來。負(fù)載電流首先從輸出電壓最高的電源獲取，隨著負(fù)載增加，輸出電壓下降，其他低輸出電壓的電源也會(huì)開始提供電流。25mV的調(diào)節(jié)技術(shù)確保了輸出之間的平滑負(fù)載共享，不會(huì)產(chǎn)生振蕩。負(fù)載共享的程度取決于LTC4358內(nèi)部MOSFET的20mΩ電阻、電源的輸出阻抗以及它們的初始輸出電壓。

5. 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

5.1 (V_{DD}) 保持電路

在輸入短路的情況下，LTC4358的輸入電源與負(fù)載旁路電容之間的寄生電感可能會(huì)導(dǎo)致 (V{DD}) 電壓降至其最小工作電壓以下，從而增加關(guān)斷時(shí)間 (t{OFF}) 。為了保持快速關(guān)斷時(shí)間，可以使用39μF或更大的本地輸出旁路電容，或者在 (V_{DD}) 引腳使用一個(gè)100Ω、0.1μF的RC保持電路。

5.2 布局考慮

在為LTC4358設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

• OUT引腳應(yīng)盡可能靠近MOSFET的漏極（外露焊盤）連接，以確保良好的精度。
• 連接IN和DRAIN的走線應(yīng)寬而短，以降低電阻。
• 與MOSFET功率路徑相關(guān)的PCB走線應(yīng)具有低電阻。
• DRAIN可以作為散熱片，用于散發(fā)設(shè)備產(chǎn)生的熱量。對(duì)于使用DFN封裝的單層PCB，可以參考相關(guān)圖表來確定在指定最大電流和環(huán)境溫度下所需的PCB面積。如果使用雙面PCB，最大電流可增加10%；如果使用FE封裝，最大電流可增加4%。

6. 相關(guān)產(chǎn)品

除了LTC4358，Linear Technology Corporation還提供了一系列相關(guān)的電源管理產(chǎn)品，如各種熱插拔控制器和理想二極管控制器等。這些產(chǎn)品可以滿足不同應(yīng)用場景的需求，為工程師提供更多的選擇和解決方案。大家可以根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，選擇最適合的產(chǎn)品。

總之，LTC4358是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的理想二極管控制器，在電源設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用前景。希望本文能為電子工程師在使用LTC4358進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供一些有價(jià)值的參考。大家在實(shí)際應(yīng)用中有遇到過什么問題或者有獨(dú)特的使用經(jīng)驗(yàn)嗎？歡迎分享交流！