Baixa Queda de Tensão Direta: Aumentando a Eficiência em Fontes de Alimentação de Baixa Tensão

Física da condução na barreira Schottky e redução de V _F

Os diodos Schottky funcionam de forma diferente porque formam uma junção metal-semicondutor, em vez da junção p-n usual encontrada em diodos convencionais. Isso significa que não há necessidade de injeção de portadores minoritários, eliminando assim as indesejáveis perdas por recombinação na região de depleção observadas em configurações tradicionais. O resultado? A condução por portadores majoritários ocorre com um potencial de barreira muito menor. Considere, por exemplo: cerca de 0,15 a 0,45 volts, enquanto os diodos de silício convencionais exigem entre 0,7 e 1,1 volts. Os elétrons fluem diretamente do material semicondutor tipo-n até o contato metálico, de modo que quase nenhuma energia é desperdiçada durante o processo. Ao analisar especificamente fontes de alimentação de 5 volts, esses diodos Schottky podem reduzir a queda de tensão direta em algo entre 60% e 80% em comparação com as opções convencionais. Isso faz uma diferença real, pois as perdas por condução tendem a ser mais problemáticas em situações de baixa tensão e alta corrente.

Ganhos de eficiência medidos: 2–5% em conversores CC-CC de 3,3 V/5 V

A avaliação independente de conversores buck síncronos confirma melhorias consistentes na eficiência no nível do sistema quando diodos Schottky substituem retificadores de silício. Vários estudos de 2023 realizados em projetos industriais e de classe servidor mostram ganhos de 2–5% — particularmente acentuados nas saídas de 3,3 V e 5 V, onde as perdas por condução escalonam inversamente com a tensão. Em uma saída de 20 A, os resultados representativos são:

Essas melhorias aliviam diretamente a gestão térmica em aplicações com restrições de espaço — incluindo módulos de alimentação para servidores, unidades de controle eletrônico automotivas (ECUs) e dispositivos eletrônicos portáteis — onde cada watt economizado prolonga a vida útil da bateria em 15–20%, conforme estudos de caso recentes no campo.

Comutação ultra-rápida: habilitando projetos de fontes chaveadas (SMPS) compactas e de alta frequência

Ausência de armazenamento de portadores minoritários e recuperação inversa subnanosegundo

Os diodos Schottky funcionam de maneira diferente dos diodos convencionais, pois utilizam apenas portadores majoritários durante a condução. O que isso significa na prática é que não há atraso de armazenamento relacionado aos portadores minoritários. E isso faz toda a diferença no que diz respeito aos incômodos picos de corrente de recuperação reversa, que são, basicamente, um grande problema para os diodos de junção PN. O tempo de recuperação reversa aqui cai muito abaixo de 1 nanossegundo, de modo que esses diodos conseguem desligar-se limpa e eficientemente, mesmo quando operam em várias megahertz. Por exemplo, em reguladores buck que operam na faixa de frequência de cerca de 500 kHz, observa-se uma redução de aproximadamente 2 a 5 por cento nas perdas de comutação, comparados com aquelas sofisticadas alternativas ultra-rápidas em silício. Um estudo publicado no ano passado pela revista Power Electronics International confirma essa afirmação. Todas essas melhorias se traduzem em menor interferência eletromagnética, componentes que operam a temperaturas mais baixas e maior capacidade de densidade de potência. Essas vantagens são particularmente importantes em situações onde a gestão térmica é desafiadora ou quando restrições de espaço exigem soluções de alimentação compactas.

Suporte a operação > 1 MHz com estágios de potência GaN e SiC

Atualmente, os transistores fabricados com nitreto de gálio (GaN) e carbeto de silício (SiC) conseguem operar em frequências bem superiores a 1 MHz. No entanto, o que realmente importa para o seu desempenho é a velocidade com que esses retificadores funcionam. Os diodos Schottky utilizados aqui, especialmente os baseados em carbeto de silício, apresentam tempos de recuperação medidos em frações de nanossegundo. Eles se alinham quase perfeitamente com os pontos de comutação dos dispositivos GaN e SiC. Quando isso ocorre, eliminam-se aqueles incômodos picos de tensão que surgem durante a mudança de estado dos circuitos. Observamos uma redução na interferência eletromagnética de cerca de 15 dB em projetos operando em várias megahertz. Há ainda outro benefício: a comutação mais rápida permite transformadores e indutores menores. Esses componentes podem ser reduzidos em mais de 60% em comparação com sistemas tradicionais de 100 kHz. É por isso que os engenheiros confiam tanto nos diodos Schottky para fontes de alimentação compactas capazes de fornecer mais de 1 kW em um formato tão pequeno que cabe facilmente em um rack de servidores ou em uma estação de carregamento para veículos elétricos, mantendo ao mesmo tempo excelentes índices de eficiência e operação confiável.

Aplicações Críticas: Retificação e Circuito de Rodízio Livre em Fontes de Alimentação Modernas (PSUs)

Retificação síncrona, circuitos OR-ing e funções de circuitos limitadores

Os diodos Schottky desempenham três funções indispensáveis nas unidades modernas de fonte de alimentação (PSUs):

• Retificação síncrona : No lado secundário dos conversores CC-CC, sua baixa queda direta de 0,3–0,5 V recupera energia que, de outra forma, seria dissipada como calor — aumentando a eficiência em até 4% nas PSUs para servidores de 48 V.
• OR-ing : Sua comutação rápida isola os barramentos de alimentação principal e de reserva durante a transferência automática (failover), evitando fluxos de corrente reversa prejudiciais em sistemas redundantes.
• Circuitos limitadores : Em topologias do tipo flyback e ressonantes, os diodos Schottky desviam transientes de comutação em nanosegundos, absorvendo com segurança picos de energia superiores a 200 mJ.

Em conjunto, essas funções permitem eficiências superiores a 94 % em PSUs compactas e de alta confiabilidade, ao mesmo tempo que protegem contra eventos catastróficos de sobretensão.

Compromissos de Projeto: Equilibrando Desempenho e Limitações dos Diodos Schottky

Compromisso entre vazamento reverso e tensão direta em alta temperatura

O que faz com que esses componentes atinjam quedas de tensão direta tão baixas (tipicamente entre 0,15 V e 0,45 V) também acarreta uma compensação no que diz respeito à corrente de fuga reversa (IR), particularmente evidente em temperaturas operacionais mais elevadas. O principal responsável por isso é a emissão termiônica que ocorre na interface metal-semicondutor. À medida que a temperatura da junção aumenta — por exemplo, até cerca de 125 graus Celsius — começamos a observar um aumento drástico nas correntes de fuga em comparação com as condições de temperatura ambiente. Nesse ponto, a corrente de fuga pode ser mais de mil vezes maior do que a observada em temperaturas ambientes normais. A tensão direta, contudo, permanece bastante estável; portanto, os engenheiros precisam ficar atentos ao fato de que essa crescente corrente de fuga reversa pode se tornar a principal fonte de perda de potência em seus projetos. Se não for controlada, ela poderá levar, futuramente, a sérios problemas térmicos. Qualquer profissional envolvido no desenvolvimento de sistemas para automóveis, equipamentos de automação industrial ou centros de dados precisa, de fato, levar em conta esse crescimento exponencial da corrente de fuga tanto nas simulações computacionais quanto nos testes de protótipos em condições reais.

Restrições de classificação de tensão e melhores práticas de redução de classificação

Os diodos Schottky são fundamentalmente limitados na tensão reversa máxima (V _RRM ) — a maioria dos dispositivos comerciais tem limite inferior a 200 V devido às restrições da altura da barreira. Exceder V _RRM corre o risco de ruptura por avalanche e falha irreversível. A redução estratégica de classificação é, portanto, obrigatória:

• Uso industrial padrão : Selecionar diodos com classificação de, no mínimo, 20 % acima da tensão de pico do sistema
• Aplicações de alta confiabilidade (médicas, militares, aeroespaciais): Aplicar margens de redução de classificação de 40–50 %
• Sistemas com transientes dinâmicos : Associar a supressores de sobretensão transitória (TVS) para sobretensões com duração superior a 100 ns

A redução térmica da potência é igualmente crítica—V _RRM a tolerância diminui à medida que a temperatura de junção se aproxima de 150 °C. A modelagem precisa do coeficiente de temperatura durante o projeto do PCB e o projeto térmico evita falhas inesperadas em estágios de potência densamente agrupados.