設(shè)計(jì)防反接電路的原因

防反接電路設(shè)計(jì)

1. 基礎(chǔ)版：二極管
   串聯(lián)二極管是實(shí)現(xiàn)防反接最簡單的電路形式。由于電源存在電源路徑（即正極）和返回路徑（即負(fù)極，GND），所以用二極管實(shí)現(xiàn)的防反接電路既可以串接在電源正極，也可以串接在電源負(fù)極，如下圖所示：
   
   這兩種方式成本較低，但存在明顯的局限性和缺點(diǎn)。二極管有正向?qū)▔航?，若串?lián)在電源路徑上，負(fù)載電路入口處的電壓會比電源輸出電壓低；若串聯(lián)在返回路徑上，負(fù)載電路的 GND 與電源的 GND 會存在壓差。而且，二極管的通流能力有限，無法應(yīng)對較大電流的負(fù)載電路，同時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，存在過熱風(fēng)險(xiǎn)。若使用二極管無法滿足實(shí)際需求，則可考慮后面的兩種設(shè)計(jì)方式。
2. 基礎(chǔ)版 plus：MOSFET
   MOSFET 具有導(dǎo)通壓降小、導(dǎo)通阻抗低的優(yōu)點(diǎn)，能夠解決二極管防反電路的部分缺點(diǎn)。和二極管一樣，MOSFET 也有電源路徑和返回路徑兩種設(shè)計(jì)方式，如下圖所示：
   
   由于 MOSFET 自身特性，若僅使用單個(gè) FET 進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，電源路徑上只能使用 PMOS，返回路徑只能使用 NMOS。與二極管相比，它們具有更小的導(dǎo)通壓降、更低的溫升和更大的通流能力（大部分情況）。不過，PMOS 和 NMOS 也各自存在缺點(diǎn)。同樣尺寸的 PMOS 與 NMOS 相比，PMOS 的 Rdson 更大，在同樣性能要求下，PMOS 會比 NMOS 更貴，尤其是在大電流電路中，常常需要多個(gè) MOSFET 并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)更大的通流，成本差異會更明顯。而 NMOS 防反接電路只能放在返回路徑上，和二極管放在返回路徑上一樣，仍存在導(dǎo)通壓降（雖然小了很多），導(dǎo)致地平面不是處處電壓相等。那么，有沒有一種方式既能使用成本較低的 NMOS，又能避免地平面電壓不一致的問題呢？答案是結(jié)合起來，將 NMOS 放到電源路徑上（高邊），然后用更高的電壓驅(qū)動 NMOS 打開。
3. 進(jìn)階版：NMOS + FET controller
   FET controller 有多種選擇，并且除了防反接功能外，還有其他功能。以 TI 的 LM5050 - 1 - Q1 芯片為例，它的經(jīng)典應(yīng)用電路如下：
   
   其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：
   
   電源上電時(shí)，電壓通過 NMOS 的體二極管流向芯片的 OUT 及 VS 引腳（因此選擇 MOSFET 時(shí)，通流能力不僅要看 ID，還要看 Is，即連續(xù)源極電流）。VS 引腳內(nèi)部是電荷泵，當(dāng)輸入電壓及其他條件（如使能等）均滿足時(shí)，芯片會通過電荷泵給其 GATE 引腳（即外部 NMOS 的柵極）充電，這會增加芯片 IN 引腳和 GATE 引腳之間的壓差，也就是 NMOS 柵極和源極之間的壓差。當(dāng)壓差增大到一定程度后，NMOS 就會被打開，電源將通過 NMOS 的 Rds 流向負(fù)載，而不再經(jīng)過 NMOS 的體二極管，從而降低了電源路徑上的壓降。至此，一個(gè)較為合格的基礎(chǔ)防反接電路（壓降小、成本低、通流能力強(qiáng)）就完成了。這里以 LM5050 - 1 - Q1 為例，它驅(qū)動?xùn)艠O的方式是電荷泵，主要目的是將 NMOS 的柵極電壓抬高到比源極更高。除了電荷泵，還有一種抬高電壓的方式是升壓調(diào)節(jié)器。LM74722 - Q1 就是采用這種方式，它的經(jīng)典應(yīng)用電路及框圖如下：
   
   
   
   電荷泵和升壓調(diào)節(jié)器這兩種驅(qū)動方式相比，升壓調(diào)節(jié)器成本更高，但具有更強(qiáng)的驅(qū)動能力和更好的電磁兼容性（EMC）性能。

其他功能

1. ENABLE/OFF
   這是一個(gè)比較基礎(chǔ)的功能，用于控制 FET controller 是否工作。
2. 開關(guān)功能
   例如上面提到的 LM5050 - 1 - Q1，MOSFET 打開只是降低電源路徑的壓降、減少損耗，但即使 MOSFET 關(guān)掉，供電電源的電流仍會通過體二極管流向負(fù)載。不過，有些 FET controller 可以順帶實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，即 MOSFET 未打開時(shí)，不會有電流流向負(fù)載。實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的方法是放置一個(gè)與當(dāng)前 NMOS 背對背的 NMOS，如下圖所示：
   
   紅框中的 NMOS 的體二極管與它右側(cè)的 NMOS 相反，這樣就能阻止電流直接從電源流向負(fù)載。
3. 欠壓 / 過壓保護(hù)（UV/OV protection）
   這個(gè)功能比較容易實(shí)現(xiàn)，在內(nèi)部增加比較器即可，如上圖的 LM74502 - Q1 就具備此功能。
4. 反向電流阻斷（reverse current block）
   反向電流阻斷與反向極性保護(hù)情況不同，主要是觸發(fā)條件不同。反向極性保護(hù)是由于電源正負(fù)極接反，導(dǎo)致電流可能反向流動而進(jìn)行保護(hù)；而反向電流阻斷是在電源正負(fù)極沒有接反且功能正常運(yùn)行時(shí)，Cout 有了穩(wěn)定的電壓（例如 14V），但供電電源因某些原因（如進(jìn)行電性能測試、ESD 測試、雷擊等，具體見汽車電子產(chǎn)品硬件電路設(shè)計(jì) —— 電源入口處 TVS 選擇）瞬間跌落，此時(shí)輸入電壓跌至＜14V，而 VOUT 部分由于有 Cout 的存在，從原本的 14V 開始放電，導(dǎo)致 VOUT＞VBATT，如下圖所示：
   
   此時(shí)兩個(gè) NMOS 還處于打開狀態(tài)，就會有電流從 VOUT 流向 VBAT，從而發(fā)生電流倒灌。這種電流倒灌可能會對供電電源產(chǎn)生危害，或者損壞 NMOS（具體見相關(guān)鏈接）。目前常見的處理方式是使用比較器，如 LM74700，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：
   
   
   

   

   
   
   
5. 輸入電壓和輸出電壓會分別通過 ANODE 和 CATHODE 引腳進(jìn)入芯片，進(jìn)入一個(gè) - 11mV 的比較器。如果檢測到輸入電壓比輸出電壓低 11mV 以上，芯片會立即關(guān)掉外部 NMOS（響應(yīng)速度一般不超過 1μs），這樣反向電流就會被 NMOS 上的體二極管阻斷。