简介
稳健的电子系统通常会集成多个电源，以提高可靠性和用户便利性。在使用不同电源为设备供电时，必须实施开关机制以保持电源隔离并防止潜在损坏。一种常见方法是在电源路径中使用多个二极管。然而，更高效、更通用的解决方案是使用理想二极管。本文将探讨理想二极管的优势及其如何改善电源管理。
我们将在本文中介绍两种版本的理想二极管：一种是输入轨的选择与电压电平无关，另一种是更简单的版本，其中较高电压始终为系统供电。
管理多电压源的挑战
许多应用可以使用多个电压源运行。例如，电池供电设备通常可以选择连接插入式电源作为主能源的替代方案。此外，通常通过 USB 电缆连接的壁式 AC-DC 适配器也常用于补充主电源。
拥有多个电源不仅提高了用户便利性，还通过能源冗余增强了鲁棒性。然而，集成不同的电压源会增加电路设计的复杂性（需要更高的努力）。通常需要确保一个能源不会反向流入另一个能源，因为这可能导致潜在损坏。
图 1 说明了通过在电源路径中加入二极管来保护未使用的电压源的基本方法。这种方法可靠，但有一个关键缺点 —— 在这种设置中，电压最高的电源始终为负载供电。
此外，二极管在电源路径中引入 150 mV 至 450 mV 的压降，这在低电压下会产生高功耗。这种增加的能量损失对于需要优先考虑效率的电池供电设备尤其成问题。
图 1. 两个在供电路径上带有二极管的电源，为一个应用程序供电
为了克服上述缺点，理想二极管提供了一种有效的解决方案。理想二极管是指使用开关（通常是 MOSFET）代替二极管的组件。
在导通状态下，它们的压降显著降低，压降由流经开关的实际电流和 MOSFET 的导通电阻 (RDS (ON)) 决定。
图 2 说明了使用两个 LT4422 器件作为理想二极管的电路。这些集成电路由于在电源路径中仅有 50 mΩ 的低电阻，因此压降很低。此外，这些 IC 仅消耗 10 μA 的功率，将总能量损失降至最低。可以添加一个 LED 作为指示灯，用于指示任何给定时间为负载供电的电压源。
图 2. 两个理想二极管可提供更高的效率，并实现额外功能
因此，图 2 中的设计是图 1 电路的改进替代方案，不仅功耗更低，还具有 LED 指示灯等扩展功能。
然而，图 2 电路中有一个功能保持不变 —— 电压较高的电压源继续为设备供电。理想二极管 LT4422 包括一个使能引脚 ((SHDN)̅)，但其内部 MOSFET 的体二极管在输入电压超过输出电压时会导通。
为防止这种情况，LT4422 的衍生产品 LT4423 在电源路径中背对背使用两个 MOSFET。这样，如果另一个 MOSFET 不同时导通，各自的体二极管将不允许电流流动。
图 3 说明了一种电路设计，其中可以自由选择电源电压为负载供电，使其运行与电压电平无关。
然而，由于需要两个集成 MOSFET，导通时电源路径中的电阻从 LT4422 的 50 mΩ 增加到 LT4423 的 200 mΩ。
最后，采用两个 MOSFET 的版本 (LT4423) 集成了热关断功能。与标准二极管不同，当组件温度超过 160°C（典型值）时，该理想二极管会自动关闭，从而提高系统可靠性。
图 3. 两个理想二极管，其电源选择与各电源的电压值无关
理想二极管不仅有助于为设备提供不同的电源选项，还通过实现冗余增强了鲁棒性。此外，理想二极管还提供诸如通过 LED 检测电源状态以及在温度过高时保护关机等功能。
电源切换方法比较
| 方法 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 传统二极管（肖特基或标准二极管） | 简单、低成本的解决方案 | 固定压降（150–450 mV） |
| 防止反向电流 | 功耗大 | |
| 始终使用最高电压源 | ||
| 理想二极管（LT4422 - 单 MOSFET） | 比传统二极管功耗更低 | 仍依赖电压电平优先级 |
| 高效的电源选择 | 保护功能有限 | |
| 无明显压降 | ||
| 理想二极管（LT4423 - 双 MOSFET） | 独立的电源选择 | 电阻更高（200 mΩ vs LT4422 的 50 mΩ） |
| 集成 160°C 热关断功能 | 设计更复杂 | |
| 比传统二极管更低的导通损耗 | 成本略高 | |
| 增强系统鲁棒性 |
结论
在具有多个电源的系统中，理想二极管是常规二极管的有用替代品，可提高电源效率。除了降低功率损耗外，此类理想二极管还提供灵活性和附加功能。它们易于使用，设计简单。当使用高集成度的器件（例如 LT4422 和 LT4423）时尤其如此。
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