防反保护电路的设计

一路上

前言

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。

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：串联肖特基二极管、在高边串联 PMOS、在低边串联 NMOS。

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

在高边串联 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：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：输入电压跌落测试

在低边串联 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 5：电荷泵方案与升降压（Buck-Boost）方案的特性

驱动 IC 的工作原理

图 6：电荷泵拓扑的NMOS驱动简化工作原理图

CLK 周期描述如下：

1. S1 和 S2 导通
2. C0 由内部对地电压源充电
3. S3 和 S4 导通
4. 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 7：升降压拓扑的NMOS驱动简化工作原理图

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。

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 8 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 8：升降压拓扑的测量波形（叠加交流纹波=100kHz，峰-峰 =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 9 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 9：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 10）。

图 10：升降压拓扑的恒定峰值电流

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。