CN211557133U - 一种超低损耗低端理想二极管 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超低损耗低端理想二极管，包括组合逻辑控制电路和第一NMOS管，组合逻辑控制电路包括第二NMOS管、第三NMOS管、第一电阻和第二电阻，第一NMOS管的漏极连接第二NMOS管的源极和电源负极，第一NMOS管的源极电连接第三NMOS管的源极，第一NMOS管的栅极电连接第三NMOS管的漏极，第二NMOS管的栅极连接第二NMOS管的漏极和第三NMOS管的栅极，第二NMOS管的漏极通过第一电阻接电源正极，第三NMOS管的漏极通过第二电阻接电源正极，负载接于电源正极和第一NMOS管的源极之间。本实用新型具有防止倒灌功能，可以保护前级电路，具有非常低的损耗，电路简单，实用性强。

Description

一种超低损耗低端理想二极管

技术领域

本实用新型涉及功率二极管技术领域，尤其涉及一种超低损耗低端理想二极管。

背景技术

二极管由于具有单向导通特性，具有防止倒灌功能，得到越来越多的应用，特别是肖特基二极管串接的电源上具有较小压降，正受到越来越多设计师的欢迎。由于肖特基二极管的压降还是大于MOS管压降，对于一些电压敏感的电路来说，更倾向于使用具有低阻抗特性的MOS管，提高产品的可靠性。现在有很多USB电源开关(配电开关)，自带了防止倒灌的功能，如MP62055芯片。因为当外部设备连接到计算机的USB端口时，设备绝对不能将电流反向流入计算机的VBus，否则会烧坏计算机。目前Oring电路应用于很多场合，作用就是保证各个单体电源互相独立、不出现倒灌现象，最常见应用于均流电路中，满足不同功率需求。

因此需要一种理想二极管，超低损耗的理想二极管，进一步降低压降，并具有防倒灌，保护前级功能，使损耗降到最低，延长电池工作时间。

另外，与本实用新型最相近的技术实现方案如下，但都存在一定不足：

二极管方案：二极管由于本身具有单向导电性，所以是天然的Oring电路，最基本的Oring电路就是在输出端加一个二极管。使用二极管串接在电源上，电路简单，其缺陷是二极管大约有0.6V的压降，电压降会随着输入电流成比例的功率损耗。随着电流增大，压降也会变大，如用肖特基二极管取代可以降低功率，但是功率损耗比较大：以肖特基二极管SS54为例，电流0.1A、1A、10A、20A对应的压降分别为0.3V、0.4V、0.85V、1.4V,对应的损耗分别为0.03W、0.4W、8.5W、28W，意味着通过电流越大，损耗也越大。肖特基二极管缺点是压降，换算为电流损耗，其静态电流损耗至少为毫安级。

MCU+PMOS管方案：电路特点需要一个额外的辅助电压、微控制器(MCU)，使用MCU的两路AD对PMOS管的漏极(D极)和源极(S极)进行电压采集，比较两者的电压大小，进而控制PMOS管的导通与截止，不足之处工作电流损耗至少为毫安级，电流损耗很大，且需要使用额外的辅助电压和MCU，方案成本高。

NPN对管+NMOS管方案：电路特点需要一个额外的辅助电压，使用相同厂家同一批次的两个NPN管，这样就可以保证两个集电极电压是基本相等，或者优选封装在一起的两个NPN三极管对管，这样就几乎相等了，从而可以保证恰当的开关和防倒灌功能，不足之处三极管的偏置电阻为千欧姆级，静态工作电流损耗至少为毫安级，电流损耗很大，且需要使用额外的辅助电压。

PNP对管+PMOS管方案：选用封装在一起的两个PNP三极管的器件，可以保证两个集电极就几乎相等了，从而可以保证恰当的开关和防倒灌功能，不足之处三极管的偏置电阻为千欧姆级，静态工作电流损耗至少为毫安级，电流损耗很大。

理想二极管方案：使用芯片LTC4413，凌特公司(Linear Technology)推出双通道理想二极管LTC4413，它特别针对减少热量、压降与占板面积及延长电池使用时间而设计。该器件非常适用于需要理想二极管"或"功能来实现负载共享或两个输入电源间自动切换的应用。LTC4413在500mA和2A时分别具有80mV和210mV的低正向电压，泄漏电流仅为1uA，较分立二极管"或"解决方案有极大改进。LTC4413含有两个100mOhm的P沟道MOSFET。每个MOSFET的最大正向电流限制在恒定2.6A，内部热限制电路在出现故障时可保护器件。不足之处：输出电流高大为1A，静态电流低于40μA，且存在低于1μA的反向倒灌电流将从输出端OUT流向输入端IN；9uA漏极开路STAT引脚指示所选通道的导通状态，并可用于驱动外部P沟道MOSFET以控制第三个备用电源；LTC4413价格高。

PMOS对管+功率PMOS管方案：申请发明专利(一种超低损耗理想二极管，申请号：CN201810920906.3)，使用双PMOS对管组合控制逻辑电路控制功率PMOS管，其插入损耗很低，适合于在超低功耗应用场合，可用作一个高端(用于负载和电源正极之间)超低功耗理想功率二极管。但由于PMOS管的沟道导通导通电阻大，价格贵，速度慢、替换种类少等原因，在低端(用于负载和电源负极之间)应用中，通常还是使用NMOS管。

NMOS管将电子用作“多数载流子”，与PMOS管的“多数载流子”空穴相比，电子具有更高的移动率。在相同的物理密度下，NMOS比PMOS具有更高的跨导，有较低的导通阻抗。NMOS的导通阻抗一般为相同尺寸的PMOS的1/3～1/2，对于相同的导通阻抗，NMOS一般需要较少的硅片，因此NMOS的栅极电容和阈值电压比PMOS要低。

NMOS管应用场合远比PMOS管要广泛得多，PMOS管可以做到的NMOS管同样也可以做到。几乎所有的开关电源拓扑都偏向于使用NMOS管(而不是PMOS管)，如正激、反激、推挽、半桥、全桥等拓扑。在相同的工艺及尺寸面积条件下，PMOS管的导通电阻要比NMOS管要大，这样PMOS开关管的导通损耗比NMOS要大。此外，NMOS管应用多，需求多、型号多，价格便宜，适合用于接电源负极时的情况(低端驱动)。

超低功耗高端理想二极管适合接电源正极的情况(高端驱动)，“流出”电流至负载电路，而超低功耗低端理想二极管则将负载导通或者断开电源负极，因此它从负载“汲入”电流。

因此，对于上述问题有必要研制一种更低损耗、价格更便宜、选型更丰富的基于NMOS管的低端应用的理想二极管。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种超低损耗低端理想二极管，以解决现有技术的不足。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种超低损耗低端理想二极管，包括组合逻辑控制电路和第一NMOS管，所述组合逻辑控制电路包括第二NMOS管、第三NMOS管、第一电阻和第二电阻，所述第一NMOS管的漏极连接第二NMOS管的源极和电源负极，所述第一NMOS管的源极电连接第三NMOS管的源极。负载接于电源正极VCC(LOAD+)和第一NMOS管的源极(LOAD-)之间，当电压load-不小于电压GND时，NMOS管导通；反之NMOS管截止，防止GND电流进行倒灌至load-，保护load-负载电路。电源正极VCC(LOAD+)与电源负极GND接反时，可以起到防反接保护作用。

优选地，所述第一NMOS管的栅极电连接第三NMOS管的漏极，所述第三NMOS管的漏极通过第二电阻接电源正极。

优选地，所述第二NMOS管的栅极连接第二NMOS管的漏极和第三NMOS管的栅极，所述第二NMOS管的漏极通过第一电阻接电源正极。

优选地，所述组合逻辑控制电路静态损耗很低，电流损耗小于微安级，若2个电阻串接100MΩ电阻，静态电流损耗可低至100nA。

优选地，所述电路具有防止倒灌的功能，且具有很低的导通压降。

优选地，所述第二NMOS管、第三NMOS管为两个同型号的NMOS管或者具有相同的参数、封装在一起的NMOS对管。

优选地，所述第一NMOS管可以使用不同导通电流大小的NMOS管。相对于PMOS管，NMOS管具有更多的优势：低导通电阻、低导通损耗、型号选型多、价格更便宜、应用广泛得多。对于大功率的电源控制，NMOS管可以选择D极与S极之间的导通电阻为数毫欧、通过电流大的功率管器件组合逻辑控制电路由双NMOS管和电阻组成，通对NMOS管的漏极(D极)和源极(S极)之间的电压选择、比较后，输出不同的电平控制NMOS管的导通与截止，选用D极与S极之间的导通电阻为数毫欧的NMOS管，可以通过很大电流(百安培级)，那么通过NMOS管的压降很小，可以近似为一个理想二极管，适合用于接电源负极时的情况(低端驱动)。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型具有防止倒灌功能，可以保护前级电路；具有非常低的损耗，静态电流损耗可低至100nA；使用组合逻辑控制电路，电路简单，电路简单，应用多，需求多、型号多，价格便宜，实用性强。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本实用新型采用分立的NMOS管的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，组合逻辑控制电路由2个同型号的NMOS管(V2、V3)或者具有相同的参数、封装在一起的NMOS对管、2个串接电阻(R1、R2)组成，控制NMOS管(V1)的导通与截止：当电压LOAD-不小于电压GND时，NMOS管(V1)导通；反之NMOS管(V1)截止，防止GND电流经过NMOS管(V1)进行倒灌至LOAD-，保护LOAD-负载电路。由于NMOS管属于电压器件，NMOS管导通和截止时其电流非常小，串接大阻值电阻，可以忽略不计，导通时只损耗很小的电流(小于微安级)，与传统肖特基二极管或双NPN对管+NMOS管(或双PNP对管控制的PMOS管)电路相比，损耗降低很大，NMOS对管组成的电路属于超低损耗控制器，理想二极管电路电流损耗低于微安级。

进一步的，所述NMOS对管具有相同的参数、对称的双N沟道MOS管，可以保证温度变化时尽可能保持参数一致性。所述电路根据不同损耗需求调整NMOS对管两个漏极(D极)串接电阻的大小，满足损耗需求。所述电路静态损耗很低，电流损耗为小于微安级，若2个电阻串接100MΩ电阻，静态电流损耗小于100nA，所述电路具有防止倒灌的功能，且具有很低的正向电压。

其中，所述组合逻辑控制电路双NMOS管(V2、V3)、2个电阻(R1、R2)组成，所述NMOS管(V1)可以使用不同导通电流大小的NMOS管，满足不同功率要求。本实用新型具有防止倒灌功能，可以保护前级电路；具有非常低的损耗，静态电流损耗小于100nA；使用组合逻辑控制电路，电路简单，成本很低，实用性强，特别适合于物联网NB-IoT超低损耗理想二极管电路应用，电路非常简单且具有很低成本。其中，

根据不同损耗需求选用D极与S极之间的导通电阻合适的NMOS管，满足损耗需求。对于大功率的电源控制，NMOS可以选择D极与S极之间的导通电阻为数毫欧、通过电流大的功率管器件组合逻辑控制电路由双NMOS管和电阻组成，通对NMOS管的漏极(D极)和源极(S极)之间的电压选择、比较后，输出不同的电平控制NMOS管的导通与截止，由于NMOS管属于电压器件，NMOS管导通和截止时其电流非常小，可以忽略不计，导通时只损耗很小的电流(小于微安级)。选用D极与S极之间的导通电阻为数毫欧的NMOS管，可以通过很大电流(百安培级)，那么通过NMOS管的压降很小，可以近似为一个理想二极管。

根据上述原理图设计PCB板进行测试，NMOS管(V1、V2、V3)型号为2N7002，装配后测试。

NMOS管(V2、V3)采用两个独立的2N7002，测试电路如图1所示，2N7002管导通典型值VGS(th)＝1.6V(1V～2.5V)，测试结果如表1所示：VCC使用5.0V供电时(串接电阻均为10MΩ)，静态损耗电流IL为0.7μA，V2、V3均处于可变电阻区，V1导通，接负载后可以通过0.1A电流；GND接上5.0V电源正极后(相当于反接，VCC接电源负极)，反向静态损耗电流IB为0.4μA(无倒灌电流流入LOAD-,LOAD-电压为0V)。两个串接电阻分别焊接为100MΩ，1MΩ、100kΩ，测试的结果如表1所示。此外3个NMOS管型号全部改用AO3420，测试结果如表1所示。组合逻辑控制电路能够有效控制NMOS(V1)管导通与截止，接负载后可以通过数安培电流，即能够通过大电流和具有防倒灌功能，大大扩展了应用范围。

表1 两种不同类型NMOS管

本实用新型的有益效果是：与传统功率二极管或三极管控制电流损耗毫安级相比，静态电流损耗小两个数量级以上；与理想二极管(LTC4413)相比，静态损耗电流降低一个数量级以上，且不存倒灌电流。使用本实用新型电路大降低了设备的静态损耗，延长了电池的工作时间，设备维护成本，损耗降低大，适合于物联网NB-IoT超低损耗低端理想二极管电路应用，电路很简单且具有很低成本优势。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种超低损耗低端理想二极管，其特征在于：包括组合逻辑控制电路和第一NMOS管，所述组合逻辑控制电路包括第二NMOS管、第三NMOS管、第一电阻和第二电阻，所述第一NMOS管的漏极连接第二NMOS管的源极和电源负极，所述第一NMOS管的源极电连接第三NMOS管的源极，所述第一NMOS管的栅极电连接第三NMOS管的漏极，所述第二NMOS管的栅极连接第二NMOS管的漏极和第三NMOS管的栅极，所述第二NMOS管的漏极通过第一电阻接电源正极，所述第三NMOS管的漏极通过第二电阻接电源正极。

2.如权利要求1所述的一种超低损耗低端理想二极管，其特征在于：所述电源正极VCC和第一NMOS管的源极之间连接负载。

3.如权利要求1所述的一种超低损耗低端理想二极管，其特征在于：所述第一NMOS管使用不同导通电流大小的NMOS管。

4.如权利要求1所述的一种超低损耗低端理想二极管，其特征在于：所述第二NMOS管、第三NMOS管为两个同型号的NMOS管或者具有相同的参数、封装在一起的NMOS对管。

5.如权利要求1所述的一种超低损耗低端理想二极管，其特征在于：所述组合逻辑控制电路静态电流损耗小于微安级。

6.如权利要求1所述的一种超低损耗低端理想二极管，其特征在于：所述第一电阻和第二电阻阻值可调，以满足低功耗要求。

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