荣湃：理想二极管控制器—电源端口应用的多边形战士

　　什么是理想二极管控制器?

　　理想二极管控制器可驱动外部 N 沟道 MOSFET 来仿真具有超低正向压降和可忽略不计反向电流的理想二极管。理想二极管控制器可根据栅极控制机制分为两类：线性调节控制和迟滞开/关控制。

　　线性调节控制会根据负载电流来控制栅极电压，有助于快速反向电流阻断;

　　在迟滞开/关控制中，当超过正向导通比较器阈值时，MOSFET完全导通。

　　图1中的典型应用原理图显示了用于驱动外部 N 沟道 MOSFET 的理想二极管控制器Pai8150C。MOSFET的源极与输入端相连，电荷泵电容器连接在阳极和 VCAP 之间，可提供足够的栅极驱动电压来导通 MOSFET，EN引脚控制芯片开关。

图1. 理想二极管控制器 - 典型应用原理图

　　理想二极管应用介绍

　　理想二极管控制器典型应用有三种：背靠背FET架构，电池反向保护以及电源路径管理及冗余(ORing)。

　　1 背靠背FET架构

　　理想二极管控制器可驱动和控制外部背对背 N 沟道 MOSFET，从而仿真具有电源路径开/关控制、浪涌电流限制的理想二极管整流器。电动汽车12V辅助电池由DC/DC变换器的12V输出电压供电。图2为荣湃半导体理想二极管控制器Pai8151B的应用案例。为实现DC/DC输出的12V与12V电池之间的受控连接与断开，需采用基于理想二极管控制器的背靠背MOSFET方案。当使能信号EN为低电平时：MOSFET Q1和Q2导通，DC/DC变换器输出的12V为12V辅助电池充电。当12V辅助电池充满电后： 使能号 EN 置为高电平，MOSFET Q1 和 Q2 关断，从而切断DC/DC变换器12V输出与12V辅助电池之间的电气通路。

图2. 负载切换与浪涌电流控制应用图

　　在电动汽车启动阶段，为了减缓高压电池连接设备输入电容的电流冲击，系统利用12V低压蓄电池实现对此输入电容的预充电。因此要求能量能从12V电池向高压测传输，理想二极管控制器需避免进入反向截止模式。如图3所示，此时需将控制器的Cathode引脚悬空设计以支持能量双向传输。

图3. 能量双向传输应用图

　　在电路启动初期，电容C1的初始电压较低，导致背靠背MOSFET导通瞬间可能引发过大浪涌电流。为抑制此现象，需采用软启动(soft start)机制：通过在理想二极管控制器的GATE引脚接入大容量电容C2与电阻R1构成的RC网络，利用Gate输出电流 Ig 对C2充电，使Gate电压 Vgate缓慢上升，从而逐步增大MOSFET导通程度，实现浪涌电流的平滑控制。

　　由于 MOSFET Q1 源极电压为 Vsource = Vgate-Vth，其中 Vth 为常数(MOSFET 阈值电压)。可得：

　　因此可以通过控制 C2 的充电速率来间接限制电容 C1 充电的浪涌电流。 例：车载 DCDC 变换器输出电容 C1=1mF，C2=10nF，R1=10kΩ，芯片 Gate 端输出电流 Ig 为 20uA。由公式可得：

　　2 电池反向保护

　　电池反向保护包含反极性保护(RPP/RHP)和反向电流阻断(RCB)两方面。反极性保护在电池意外反接或断开感性负载产生瞬态负压时，防止负载损坏。反向电流阻断则阻止电流从负载(特别是子系统中的大容量保持电容)倒流回电池，确保该电容能在电源中断或动态反向条件下持续为子系统(如汽车电子)供电，维持关键操作。理想二极管控制器配合外部N沟道MOSFET可高效实现这两种保护，尤其适用于需要同时防止输入反接和阻断反向电流的应用，例如为直流变换器或稳压器后跟处理器的应用。如图4为荣湃半导体理想二极管控制器Pai8150C电池反接应用方案。

图 4. 理想二极管控制器电池反接应用原理图

　　在应用中CAP电容的取值与MOSFET输入电容Ciss有关，CAP应大于10*Ciss(MOSFET)，推荐 CAP电容不小于100nF。器件 MOSFET 的选型也有一定的要求，为保证正常工作时芯片处于 Regulatton 状态，需满足20mV

　　3 电池路径管理及冗余(ORing)

　　冗余电路使用多个电源单元为负载提供所需的电源。它们有助于提高系统的可靠性和可用性， 并在其中一个电源单元发生故障时确保系统安全。在汽车系统中，冗余电源对于自动驾驶等安全关键型应用尤为重要， 因为在这类应用中，断电可能会导致严重的后果。ORing 电路有助于系统根据最高输入电压从多个输入中选择最佳可用电源。理想二极管充当开关，在输入电压高于输出电压时导通，并在输入电压低于输出电压时关断。这样，ORing 电路可确保具有最高电压的输入源连接到输出端，并防止出现反向电流。如果两个输入电源几乎相等，则可以由两个电源同时为负载供电，而两个电源之间没有环流。因此，反向电流阻断是实现 ORing 电路所需的主要特性。图5为荣湃理想二极管控制器Pai8150C双路ORing解决方案。

图 5. 典型 ORing 应用

　　理想二极管在车载O

　　BC+DC/DC的应用

　　新能源汽车中，降压型DC/DC变换器负责将动力电池输出的高压直流电(400V-800V) 转换为恒定的低压直流电(12V/14V/36V/48V) ，以满足整车低压系统的供电需求。其核心功能包含两方面：一是为车身电器(如灯光、车窗、仪表、娱乐系统等)及控制系统(BMS、驾驶模块等)提供稳定电源;二是为低压蓄电池充电。由于低压负载的功率需求大而工作电压低，DC/DC变换器需持续输出大电流，因此具有低电压、高电流的典型技术特征。其核心架构为移相全桥ZVS拓扑与同步整流模块的组合，详见图6所示电路。

图 6. DC/DC 变换器电路图

　　在车辆低压供电系统中，直流/直流变换器(DC/DC)为12V蓄电池充电的核心逻辑如下：当整车控制器(VCU)未发出高压上电指令时，系统处于高压下电状态，此时由12V蓄电池直接为所有低压负载供电;一旦VCU发出高压上电指令，DC/DC变换器随即启动，将动力电池输出的高压直流电转换为稳定的低压直流电。此后，DC/DC变换器同时承担两项关键任务：一是实时为整车低压负载供电，二是为12V蓄电池充电。其输出功率会根据低压负载的实时用电需求进行动态分配，优先保障负载供电，剩余的能量则用于给蓄电池充电，从而维持整个低压系统的能量平衡。

　　总结

　　理想二极管控制器本质是模拟理想二极管特性的集成电路，核心作用是实现高效的单向导电，替代传统机械二极管或普通二极管，广泛应用于电源冗余系统、汽车电子、不间断电源(UPS)、太阳能光伏系统。得益于极低导通压降、快速开关响应和无反向恢复电流等优势，理想二极管控制器是电源端口应用的真正“多边形战士”。