防反保护电路的设计-mps文档

qwqwqw2088 发表于 2024-10-15 13:51

本帖最后由 qwqwqw2088 于 2024-10-15 13:51 编辑

汽车电源系统常在极为恶劣的环境下运行，数以百计的负载挂在汽车电池上，需要同时确定负载状态的汽车电池可能面临极大的挑战。当负载处于不同工作条件和潜在故障状态时，设计人员需要考虑电源线产生的各种脉冲可能带来的影响。

 

本系列的上、下两篇文章将探讨如何设计防反保护电路。本文为上篇，我们将介绍汽车电源线上的各种脉冲干扰，然后讨论防反保护电路的常见类型，并重点关注 PMOS电路； 下篇 将讨论使用 NMOS和驱动器 IC 实现的防反保护电路设计。

脉冲干扰

 
图 1 显示了不同应用场景下电源线上可能出现的各种脉冲类型。例如，当大功率负载突然关闭，电池电压可能产生过冲；当大功率负载突然启动，电池电压将会跌落。当感应线束突然松动，负载上将产生负电压脉冲。而发电机运行时，交流纹波会叠加在电池上。还有使用跳线时，备用电池可能使用错误，从而导致极性反接，此时电池电压极性长时间反接。

 

  

图1: 不同应用场景下的脉冲类型

 

为解决汽车电源线上可能存在的各种脉冲干扰，行业协会和主要汽车制造商已经制定了相关的测试标准来模拟电源线的瞬态脉冲。这些标准包括 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2，以及梅赛德斯-奔驰和大众汽车的测试标准。防反保护电路作为最前端的电路，也必须满足行业测试标准。

 

防反保护电路

 
防反保护电路包括三种基本类型，如下所述。

 

串联肖特基二极管 
 

这种电路通常用于 2A 至 3A 之间的小电流应用，其电路简单且成本低，但功耗较大。

 

在高边串联PMOS 
 

对于电流超过 3A 的应用，可以将PMOS放置在高边。这种驱动电路相对简单，但缺点是PMOS成本较高。

 

当电源正接时，PMOS沟道导通，管压降小，损耗和温升低。

 

当电源反接时，PMOS沟道关断，寄生体二极管实现防反保护功能。

 

在低边串联NMOS 
 

这种电路需要在低边放置一个 NMOS。简化的栅极驱动电路通常会采用高性价比的 NMOS。该电路的功能类似于放置在高边的 PMOS。但是，这种防反保护结构意味着电源地和负载地是分开的，这种结构在汽车电子产品设计中很少使用。

 

图 2 对这几种防反保护电路进行了总结。

  

图 2：防反保护电路的类型

 

本文将重点介绍PMOS防反保护电路。

 

PMOS 
 

大多数传统的防反保护电路均采用 PMOS，其栅极接电阻到地。如果输入端连接正向电压，则电流通过 PMOS 的体二极管流向负载端。如果正向电压超过 PMOS的电压阈值，则通道导通。这降低了 PMOS 的漏源电压 (VDS)，从而降低了功耗。栅极与源极之间通常会连接一个电压调节器，以防止栅源电压 (VGS) 出现过压情况，同时还可以保护 PMOS在输入功率波动时不会被击穿。

 

但基本的 PMOS 防反保护电路也有两个缺点：系统待机电流大和存在反灌电流。下面将对此进行详述。

 

系统待机电流较大 
 

当PMOS用于防反保护电路时， VGS 和保护电路（由齐纳二极管和限流电阻组成）周围会存在漏电流。因此，限流电阻 (R) 会对整体待机功耗产生影响。

 

限流电阻的取值不应太大。一方面，普通稳压管的正常钳位电流基本为mA级，如果限流电阻过大，齐纳二极管不能可靠导通，钳位性能会明显降低，从而导致 VGS 出现过压风险。另一方面，限流电阻太大意味着PMOS 驱动电流较小，这会导致较慢的开/关过程。如果输入电压(VIN) 发生波动，PMOS可能会长时间工作在线性区域（在该区域的 MOSFET 未完全导通），由此产生的高电阻会导致器件过热。

 

图 3 显示了传统 PMOS 防反保护电路中的待机电流。

  

图 3：传统 PMOS 防反保护电路中的待机电流

存在反灌电流 
 

在进行 ISO 16750 输入电压跌落测试时，PMOS 在 VIN 跌降时保持开路。在这种情况下，系统电容电压会使电源极性反转，从而导致系统电源故障并触发中断功能。而在叠加交流电输入电压测试中，由于 PMOS 完全开路，将导致电流回流。这会迫使电解电容反复充电和放电，最终导致过热。

 

图 4 显示了输入电压的跌落测试。

  

图 4：输入电压跌落测试

 

结语 
 

本文回顾了传统 PMOS 防反保护电路及其主要缺点，包括大的系统待机电流和反灌电流。本系列的 下篇 将讨论采用 NMOS 和升降压驱动 IC 设计防反保护电路的优势。

qwqwqw2088 发表于 2024-10-15 13:51

上篇介绍了各种脉冲干扰以及在汽车电子产品中设计防反保护电路的必要性，同时回顾了 PMOS 方案保护电路的特性；本文为下篇，将讨论使用 NMOS 和升降压驱动 IC 实现的防反保护电路。 NMOS 设计具有 NMOS 和驱动IC 的防反保护电路时，NMOS 需放置在高边，驱动IC也从高边取电，这里将产生一个大于输入电压 (VIN) 的内部电压，给 NMOS 提供 (VGS)驱动供电。根据驱动电源产生的原理，驱动IC可以采用电荷泵方案或升降压（Buck-Boost）方案。具体描述如下： 
电荷泵防反保护方案: 电荷泵方案具有较低的总体BOM 需求，从而可降低成本。该方案非常适合小电流应用，例如汽车 USB 供电设备 (PD) 大功率充电模块。 
升降压防反保护方案: 升降压方案提供强大的驱动能力和出色的EMC 性能。该方案非常适合大电流和高性能环境，例如汽车域控制器和音响系统。

 
 图 1 显示了电荷泵方案与升降压方案的特性。

   
图 1：电荷泵方案与升降压（Buck-Boost）方案

 

驱动IC的工作原理图2显示了具有电荷泵拓扑的NMOS驱动简化工作原理图。

 

   
图 2：电荷泵拓扑的工作原理图

 

CLK周期描述如下： 
S1和S2导通 
C0 由内部对地电压源充电 
S3和S4导通 
C1 由 C0 上的电压充电 
C0 是具有快速充电和放电速度的小电容，而 C1 则是具有大负载能力的大电容。因此，通过S1和S2（以及S3和S4）的频繁切换， C0 上的电荷可以不断传输给 C1，而 C1 的负端连接至电池电压 (VBATT)。最终，NMOS由一个大于 VBATT 的电压驱动。图 3 显示了具有升降压拓扑的 NMOS 驱动简化工作原理图。

 

   
图 3：升降压拓扑的工作原理图

 

在升降压拓扑中，功率MOSFET放在低边。当 S_BAT 导通时， VIN 对电感充电，电感电压为负；当S_BAT关断时，电感将通过二极管释放能量，电感电压为正，并为 C1充电。当 C1 上的电压超过 VBATT 时，NMOS栅极将被驱动。 
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升降压驱动 IC 的优势在防反保护驱动 IC 中采用升降压驱动 IC 有两个明显优势：增强驱动电流能力并提高 EMC 性能。驱动电流能力升降压拓扑可以提供更大的驱动电流能力和更快的输入干扰响应能力。例如，输入叠加100kHz，峰峰值2V条件下进行实测。测量结果如图 4所示，其中包含输入防反保护 MOSFET 的源极电压（粉色）、通过防反保护 MOSFET 的漏极电压（浅蓝色）、MOSFET 驱动 VGS （红色）和负载电流（绿色）。

 

   
图 4：升降压拓扑的测量波形（叠加交流纹波脉冲 = 100kHz，峰-峰值 = 2V）

 

波形显示出，驱动IC实时监测了NMOS的漏极与源极。在测试条件下，输入电压（VIN）与源极电压 (VS)一致，而系统电压则与漏极电压 (VD)一致。如果 VS 低于 VD，则 VIN 低于系统电压，MOSFET 驱动关断，体二极管提供防反保护功能防止电容电流回流；如果 VS 超过 VD，则 VIN 超过系统电压，MOSFET 驱动导通，可避免体二极管导通影响效率。如果采用电荷泵型防反驱动，由于其驱动电流能力不强，在输入电压快速波动时，容易产生门极驱动脉冲丢失或者常开的异常现象。我们对电荷泵防反保护电路进行测量。测量结果如图 5所示，其中包括防反保护 MOSFET 的输入源极电压（黄色）、输出漏极电压（红色）、驱动 VGS（绿色）和负载电流（蓝色）。

 

   
图 5：电荷泵拓扑的测量波形

 

当栅极驱动脉冲丢失时，MOSFET不会被驱动。与此同时，体二极管导通将导致大量热损耗。而且在导通时，将产生较大的充电电流尖峰。当栅极驱动脉冲常开的时间内，MOSFET 通常也会导通。与此同时，电解电容会反复充放电，从而导致发热严重。提升EMC 性能升降压拓扑还可以提升 EMC 性能。电荷泵虽然没有电感，但它是一种容性开关电源，由于效率低需要极高的工作频率。通常情况下，集成电容小（在 pF 范围内）而外部电容大（在 µF 范围内）。因此，电荷泵的开关频率 (fSW) 常超过 10MHz，这种高频率将导致 EMI 问题。采用升降压驱动 IC 可提高效率。通过采用固定峰值电流控制，较小负载对应较低的 fSW。因此，升降压拓扑可提升 EMC 性能（参见图 6）。

 

   
图 6：升降压拓扑的恒定峰值电流

 

MPQ5850-AEC1简介 MPQ5850-AEC1 是一款智能二极管控制芯片，它可以替代肖特基二极管，驱动外部 NMOS实现反向输入保护。该器件采用 TSOT23-8 封装，非常适合汽车冷启动条件。图 7 对电荷泵拓扑与采用升降压拓扑的MPQ5850-AEC1进行了EMC 性能比较。左边的电荷泵拓扑可能会存在潜在的EMC 问题，而右边的MPQ5850-AEC1 方案能完美通过国标等级５测试。

 

   
图7：电荷泵拓扑与MPQ5850-AEC1的比较

 

结语采用最佳的防反保护电路设计对通过各种脉冲干扰测试标准非常重要。与传统的 PMOS电路相比，NMOS 电路提高了驱动电流能力和 EMC 性能。MPS的 MPQ5850-AEC1 可提供反向输入保护功能并满足EMC标准。

 

来自MPS

beyond_笑谈 发表于 2024-10-15 13:54

汽车电子控制器上目前主要是采用背靠背的NMOSFET进行防反接

qwqwqw2088 发表于 2024-10-15 14:21

beyond_笑谈发表于 2024-10-15 13:54
汽车电子控制器上目前主要是采用背靠背的NMOSFET进行防反接

NMOS 需放置在高边，驱动IC也从高边取电

汽车也是因为这个么

chineseboyzxy 发表于 2024-10-15 14:58

beyond_笑谈发表于 2024-10-15 13:54
汽车电子控制器上目前主要是采用背靠背的NMOSFET进行防反接

是因为NMOS内阻小还是耐压高?

beyond_笑谈 发表于 2024-10-15 15:05

qwqwqw2088 发表于 2024-10-15 14:21
NMOS 需放置在高边，驱动IC也从高边取电

汽车也是因为这个么

有这部分的原因的，背靠背的NMOSFET是放在电源正极上，ISO16750-2有防反接要求

beyond_笑谈 发表于 2024-10-15 15:07

chineseboyzxy 发表于 2024-10-15 14:58
是因为NMOS内阻小还是耐压高?

NMOSFET内阻小，功耗低，否则最简单的话用个二极管防反接就行。

zhoupxa 发表于 2024-10-15 23:10

beyond_笑谈发表于 2024-10-15 15:05
有这部分的原因的，背靠背的NMOSFET是放在电源正极上，ISO16750-2有防反接要求

由于驱动特性不同，一般情况下PMOS用作高边电源开关、NMOS用作低边电源开关驱动电路最为简洁。

但对整个系统来讲，高边电源开关控制方便、安全可靠、电磁兼容性好；同时NMOS具有比PMOS内阻小、功率大、成本低等优点，所以大部分功率应用还是采用了NMOS作为高边电源开关，但是必须为驱动电路提供高于系统的独立电源，或者对系统电源升压，或者采用专用的MOSFET驱动器(实质也是升压驱动)。

背靠背连接的两只NMOS作为开关可以实现低电阻导通和完全关断，自然兼具防反功能。

hawksabre 发表于 2024-10-16 09:16

目前成熟的方案都是采用双N型MOS背靠背设计驱动  这种方式比单一式的MOS防反接靠谱   个人建议  仅供参考

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