PowerPath控制器、理想二极管和优先排序器入门
由多个直流电源供电的电子系统很常见 - 它们包括手持设备（usb 端口和电池）、便携式仪器（墙上适配器和电池）和高可用性服务器（主电源轨和冗余/辅助电源轨）。选择正确的输入电源为系统供电并非易事，因为不正确的实现会在电源之间振荡，导致电源掉电，或者通过允许反向电流损坏输入电源。凌力尔特的电源路径™控制器简化了动态电源选择的任务。
电源路径控制器
多输入电源系统具有将输入电源多路复用至公共输出负载的开关。powerpath 控制器基本上顾名思义 — 它选择并控制电源流向系统的路径。控制器根据最高电压或最高优先级选择输入源;前一种称为理想二极管，而后者称为优先排序器。powerpath 控制器采用集成或外部、单通道或背靠背、p 沟道或 n 沟道 mosfet 开关，为公共输出负载多路复用多达三个输入电源。通过采用多个控制器对三个以上的电源进行多路复用。
图1.用于多个电源输入的 powerpath 控制器
理想二极管
理想二极管是周围带有控制电路的mosfet（图2），在正向偏置条件下（输入电压大于输出电压）以低压降（低于50mv）导通，在反向偏置（输入电压小于输出电压）时关断。与功率肖特基二极管相比，理想二极管（又名有源二极管）可将电压和功率损耗降低十倍或更多。散热要求最小化，形成紧凑的解决方案。低压电源（5v、3.3v或更低）应用可获得更大的电压裕量。理想二极管还包括标准二极管所不具备的附加监控和保护功能。与传统二极管一样，理想二极管将（二极管-or）电源组合在一起，以便在输入故障或短路时提供冗余。此外，它们还可用于输入掉电期间的输出电源保持、电池反向保护 （ltc4359） 或平衡电源电流 （ltc4370）。
图 2：n 沟道和 p 沟道理想二极管控制器
理想二极管两端的压降可以计算为i负荷• rds（on）.对于 5mω rds（on）mosfet具有10a负载电流，理想的二极管压降计算为50mv。表1比较了在不同输入电源电压下，该电压损耗与功率肖特基二极管的500mv典型压降。如图所示，肖特基二极管的压降在低电源电压下变得无法忍受，从而消耗了很大一部分工作电压。理想二极管是低输入电压下唯一可行的解决方案。
v在
电压损耗占输入电压的百分比
500mv 肖特基二极管 50mv 理想二极管
1.8v 28楼 2.8%
3.3v 15楼 1.5%
5v 10楼 1楼
12v 4.2% 0.4%
48v 1楼 0.1%
理想二极管功耗计算公式为i负荷2• rds（on），而对于0.5v肖特基二极管，计算公式为0.5v • i负荷.图3比较了这两种二极管的功耗：理想的二极管节能随着负载电流的增加而增加，省去了散热器或缩小了散热器，从而节省了电路板面积。
图3：肖特基二极管和理想二极管功率损耗与负载电流的关系
实际操作中的理想二极管
构建理想二极管有两种方法，一种采用比较器，另一种采用线性伺服放大器。基于比较器的技术要么允许直流反向电流（可能损坏电源），要么在轻负载电流或电源切换期间在开和关之间振荡，从而向系统注入噪声。相反，mosfet 两端正向压降的线性控制可确保平稳的电源切换，即使在轻负载下也不会发生振荡。因此，线性伺服是所有凌力尔特理想二极管使用的技术。n 沟道 mosfet 源极至漏极两端的压降由放大器调节至一个小基准电压。在图4a中，即使负载电流发生变化，输入电源电压（nfet源）和负载电压（nfet漏极）之间仍保持15mv的差值。随着负载的增加，栅极电压将以其最大值熄灭，mosfet表现为电阻器，其正向压降随电流线性增加。图4b显示了该15mv理想二极管的iv特性。
图 4a. 基于线性伺服放大器的理想二极管实现
图 4b. 相应的理想二极管 iv 特性
理想的二极管mosfet是反向的吗？
这是寻找理想二极管电路时的一个常见问题。让我们考虑图2中的n沟道理想二极管。n 沟道功率 mosfet 具有从源极到漏极的固有体二极管（即阳极连接到源极和阴极连接到漏极）。如果漏极引脚连接到输入端，源极连接到输出端，则体二极管允许反向电流从负载流向电源，这是不希望的。因此，n沟道mosfet的源极引脚连接到理想二极管电路中的输入端。在这种方向下，负载电流流过体二极管，直到 mosfet 栅极导通，电流通过 mosfet 沟道转移。
优先级排序器
二极管or选择最高电压的输入电源为输出供电（当输入电压接近时，存在一些压降均流）。这适用于具有类似标称电压的冗余电源。在某些应用中，特别是在由墙上适配器和电池供电的便携式电子设备中，电压不是为系统供电的主要标准。只要墙上适配器可用，它就会为系统供电，即它比电池具有更高的优先级。优先级排序器使用户能够选择出现在负载上的电源，而与电压电平无关。这可以通过理想的二极管or电路来实现，该电路使用电阻分压器（r12a、r5c）监视高优先级电源（图2中的2v墙上适配器），只要优先级较高的电源可用（高于2v门限），就会禁用优先级较低的电源（e9#输入）。需要一个额外的mosfet （q3）来阻断通过备用电源（2节锂离子电池）上的理想二极管mosfet （q4）体二极管的并联正向电流路径。
图 5：优先考虑 12v 墙上适配器而不是 14.4v 4 芯锂离子电池
上述实现适用于 2 输入系统，但对于 3 输入系统会变得复杂。ltc4417 优先排序器专为对 2.5v 至 36v 范围内的三个电源进行优先排序而设计（图 6）;它在三个输入中选择优先级最高的有效电源来为负载供电。优先级由引脚分配定义（v1为最高优先级，v3为最低优先级），而电源在1ms内由5.256%精度的欠压和过压阈值设置的电压窗口内后，则视为有效。ltc4417 简化了设计，从手持式和高可用性电子设备中常见的多个不同电压源获得电源。在此类系统中，优先排序器是比简单的二极管or更好的解决方案，特别是当首选电源不是最高电压时。有限的电源（如电池（v2，14.8v））的优先级可能低于墙上适配器（v1，12v），即使电池电压较高，也会延长电池运行时间。
图 6：ltc4417 三通道优先排序器电路和操作
场效应管类型和配置
n 沟道和 p 沟道 powerpath 控制器均可用。此外，可以集成mosfet，或者控制器可能需要外部mosfet。每个选项都为电路的工作方式提供了灵活性。n 沟道 mosfet 比 p 沟道 mosfet 具有更高的迁移率，并承载更多的电流;对于高电流应用（5a以上），n沟道mosfet可能是首选。但是，n 沟道控制器需要高于电源电压的栅极电压来增强（导通）mosfet。这就是电荷泵或升压稳压器内置在正电源n沟道控制器内的原因。p 沟道控制器将 mosfet 栅极拉低以导通，无需电荷泵。集成 mosfet 提供紧凑的解决方案，但电流水平有限;外部 mosfet 控制器允许用户针对特定电流电平优化 mosfet，最低 rds（on）（包括并联多个mosfet用于大电流应用）、热性能等单个 mosfet 允许正向电流流过其体二极管，即使 mosfet 沟道被栅极关闭。为了在栅极关断期间完全阻断正向和反向电流，一些控制器能够驱动背靠背连接的mosfet（图2中的q3、q5）。
总结
凌力尔特提供了多种 powerpath 控制器，与典型二极管相比，这些控制器可最大限度地降低功耗、降低压降并提供更多功能。这些器件是各种应用的理想选择，从高端数据通信和服务器系统到便携式电池供电产品。
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图1.用于多个电源输入的 powerpath 控制器
理想二极管
理想二极管是周围带有控制电路的mosfet（图2），在正向偏置条件下（输入电压大于输出电压）以低压降（低于50mv）导通，在反向偏置（输入电压小于输出电压）时关断。与功率肖特基二极管相比，理想二极管（又名有源二极管）可将电压和功率损耗降低十倍或更多。散热要求最小化，形成紧凑的解决方案。低压电源（5v、3.3v或更低）应用可获得更大的电压裕量。理想二极管还包括标准二极管所不具备的附加监控和保护功能。与传统二极管一样，理想二极管将（二极管-or）电源组合在一起，以便在输入故障或短路时提供冗余。此外，它们还可用于输入掉电期间的输出电源保持、电池反向保护 （ltc4359） 或平衡电源电流 （ltc4370）。
图 2：n 沟道和 p 沟道理想二极管控制器
理想二极管两端的压降可以计算为i负荷• rds（on）.对于 5mω rds（on）mosfet具有10a负载电流，理想的二极管压降计算为50mv。表1比较了在不同输入电源电压下，该电压损耗与功率肖特基二极管的500mv典型压降。如图所示，肖特基二极管的压降在低电源电压下变得无法忍受，从而消耗了很大一部分工作电压。理想二极管是低输入电压下唯一可行的解决方案。
v在
电压损耗占输入电压的百分比
500mv 肖特基二极管 50mv 理想二极管
1.8v 28楼 2.8%
3.3v 15楼 1.5%
5v 10楼 1楼
12v 4.2% 0.4%
48v 1楼 0.1%
理想二极管功耗计算公式为i负荷2• rds（on），而对于0.5v肖特基二极管，计算公式为0.5v • i负荷.图3比较了这两种二极管的功耗：理想的二极管节能随着负载电流的增加而增加，省去了散热器或缩小了散热器，从而节省了电路板面积。
图3：肖特基二极管和理想二极管功率损耗与负载电流的关系
实际操作中的理想二极管
构建理想二极管有两种方法，一种采用比较器，另一种采用线性伺服放大器。基于比较器的技术要么允许直流反向电流（可能损坏电源），要么在轻负载电流或电源切换期间在开和关之间振荡，从而向系统注入噪声。相反，mosfet 两端正向压降的线性控制可确保平稳的电源切换，即使在轻负载下也不会发生振荡。因此，线性伺服是所有凌力尔特理想二极管使用的技术。n 沟道 mosfet 源极至漏极两端的压降由放大器调节至一个小基准电压。在图4a中，即使负载电流发生变化，输入电源电压（nfet源）和负载电压（nfet漏极）之间仍保持15mv的差值。随着负载的增加，栅极电压将以其最大值熄灭，mosfet表现为电阻器，其正向压降随电流线性增加。图4b显示了该15mv理想二极管的iv特性。
图 4a. 基于线性伺服放大器的理想二极管实现
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图 6：ltc4417 三通道优先排序器电路和操作
场效应管类型和配置
n 沟道和 p 沟道 powerpath 控制器均可用。此外，可以集成mosfet，或者控制器可能需要外部mosfet。每个选项都为电路的工作方式提供了灵活性。n 沟道 mosfet 比 p 沟道 mosfet 具有更高的迁移率，并承载更多的电流;对于高电流应用（5a以上），n沟道mosfet可能是首选。但是，n 沟道控制器需要高于电源电压的栅极电压来增强（导通）mosfet。这就是电荷泵或升压稳压器内置在正电源n沟道控制器内的原因。p 沟道控制器将 mosfet 栅极拉低以导通，无需电荷泵。集成 mosfet 提供紧凑的解决方案，但电流水平有限;外部 mosfet 控制器允许用户针对特定电流电平优化 mosfet，最低 rds（on）（包括并联多个mosfet用于大电流应用）、热性能等单个 mosfet 允许正向电流流过其体二极管，即使 mosfet 沟道被栅极关闭。为了在栅极关断期间完全阻断正向和反向电流，一些控制器能够驱动背靠背连接的mosfet（图2中的q3、q5）。
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