汽車電源系統(tǒng)常常在極為惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，數(shù)以百計(jì)的負(fù)載連接在汽車電池上，要同時(shí)確定負(fù)載狀態(tài)的汽車電池面臨著極大的挑戰(zhàn)。當(dāng)負(fù)載處于不同工作條件和潛在故障狀態(tài)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要充分考慮電源線產(chǎn)生的各種脈沖可能帶來的影響。

脈沖干擾

圖 1 展示了不同應(yīng)用場景下電源線上可能出現(xiàn)的各種脈沖類型。例如，當(dāng)大功率負(fù)載突然關(guān)閉時(shí)，電池電壓可能產(chǎn)生過沖；當(dāng)大功率負(fù)載突然啟動(dòng)時(shí)，電池電壓將會(huì)跌落；當(dāng)感應(yīng)線束突然松動(dòng)時(shí)，負(fù)載上將產(chǎn)生負(fù)電壓脈沖；發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，交流紋波會(huì)疊加在電池上；還有在使用跳線時(shí)，備用電池可能使用錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致極性反接，此時(shí)電池電壓極性會(huì)出現(xiàn)長時(shí)間反接的情況。

為解決汽車電源線上可能存在的各種脈沖干擾，行業(yè)協(xié)會(huì)和主要汽車制造商已經(jīng)制定了相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)來模擬電源線的瞬態(tài)脈沖。這些標(biāo)準(zhǔn)包括 ISO 7637 - 2 和 ISO 16750 - 2，以及梅賽德斯 - 奔馳和大眾汽車的測試標(biāo)準(zhǔn)。防反保護(hù)電路作為最前端的電路，也必須滿足這些行業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)。

防反保護(hù)電路

防反保護(hù)電路主要包括三種基本類型：串聯(lián)肖特基二極管、在高邊串聯(lián) PMOS、在低邊串聯(lián) NMOS。

串聯(lián)肖特基二極管

這種電路通常適用于 2A 至 3A 之間的小電流應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡單且成本低，但缺點(diǎn)是功耗較大。在小電流應(yīng)用中，由于其簡單的結(jié)構(gòu)和較低的成本，串聯(lián)肖特基二極管的防反保護(hù)電路具有一定的優(yōu)勢。然而，隨著電流的增大，其功耗問題會(huì)變得更加突出，因此不太適合大電流應(yīng)用。

在高邊串聯(lián) PMOS

對(duì)于電流超過 3A 的應(yīng)用，可以將 PMOS 放置在高邊。這種驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)簡單，但 PMOS 的成本較高。當(dāng)電源正接時(shí)，PMOS 溝道導(dǎo)通，管壓降小，損耗和溫升低；當(dāng)電源反接時(shí)，PMOS 溝道關(guān)斷，寄生體二極管實(shí)現(xiàn)防反保護(hù)功能。在大電流應(yīng)用中，高邊串聯(lián) PMOS 的防反保護(hù)電路能夠提供較好的性能，但較高的成本是其需要考慮的因素之一。

在低邊串聯(lián) NMOS

這種電路需要在低邊放置一個(gè) NMOS。簡化的柵極驅(qū)動(dòng)電路通常會(huì)采用高性價(jià)比的 NMOS。該電路的功能類似于放置在高邊的 PMOS，但是這種防反保護(hù)結(jié)構(gòu)意味著電源地和負(fù)載地是分開的，這種結(jié)構(gòu)在汽車電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中很少使用。在某些特定的應(yīng)用場景中，低邊串聯(lián) NMOS 的防反保護(hù)電路可能具有一定的優(yōu)勢，但由于其電源地和負(fù)載地分開的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，限制了其在汽車電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng) PMOS 防反保護(hù)電路的缺點(diǎn)

大多數(shù)傳統(tǒng)的防反保護(hù)電路均采用 PMOS，其柵極接電阻到地。如果輸入端連接正向電壓，則電流通過 PMOS 的體二極管流向負(fù)載端。如果正向電壓超過 PMOS 的電壓閾值，則通道導(dǎo)通，這降低了 PMOS 的漏源電壓 (VDS)，從而降低了功耗。柵極與源極之間通常會(huì)連接一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器，以防止柵源電壓 (VGS) 出現(xiàn)過壓情況，同時(shí)還可以保護(hù) PMOS 在輸入功率波動(dòng)時(shí)不會(huì)被擊穿。但基本的 PMOS 防反保護(hù)電路存在兩個(gè)缺點(diǎn)：系統(tǒng)待機(jī)電流大以及存在反灌電流。

系統(tǒng)待機(jī)電流較大

當(dāng) PMOS 用于防反保護(hù)電路時(shí)，VGS 和保護(hù)電路（由齊納二極管和限流電阻組成）周圍會(huì)存在漏電流。因此，限流電阻 (R) 會(huì)對(duì)整體待機(jī)功耗產(chǎn)生影響。限流電阻的取值不應(yīng)太大，一方面，普通穩(wěn)壓管的正常鉗位電流基本為 mA 級(jí)，如果限流電阻過大，齊納二極管不能可靠導(dǎo)通，鉗位性能會(huì)明顯降低，從而導(dǎo)致 VGS 出現(xiàn)過壓風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，限流電阻太大意味著 PMOS 驅(qū)動(dòng)電流較小，這會(huì)導(dǎo)致較慢的開 / 關(guān)過程。如果輸入電壓 (VIN) 發(fā)生波動(dòng)，PMOS 可能會(huì)長時(shí)間工作在線性區(qū)域（在該區(qū)域的 MOSFET 未完全導(dǎo)通），由此產(chǎn)生的高電阻會(huì)導(dǎo)致器件過熱。

存在反灌電流

在進(jìn)行 ISO 16750 輸入電壓跌落測試時(shí)，PMOS 在 VIN 跌降時(shí)保持開路。在這種情況下，系統(tǒng)電容電壓會(huì)使電源極性反轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)電源故障并觸發(fā)中斷功能。而在疊加交流電輸入電壓測試中，由于 PMOS 完全開路，將導(dǎo)致電流回流，這會(huì)迫使電解電容反復(fù)充電和放電，最終導(dǎo)致過熱。

NMOS 防反保護(hù)電路及驅(qū)動(dòng) IC

設(shè)計(jì)具有 NMOS 和驅(qū)動(dòng) IC 的防反保護(hù)電路時(shí)，NMOS 需放置在高邊，驅(qū)動(dòng) IC 也從高邊取電，這里將產(chǎn)生一個(gè)大于輸入電壓 (VIN) 的內(nèi)部電壓，給 NMOS 提供 (VGS) 驅(qū)動(dòng)供電。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生的原理，驅(qū)動(dòng) IC 可以采用電荷泵方案或升降壓 (Buck - Boost) 方案。

電荷泵防反保護(hù)方案

電荷泵方案具有較低的總體 BOM 需求，從而可降低成本。該方案非常適合小電流應(yīng)用，例如汽車 USB 供電設(shè)備 (PD) 大功率充電模塊。在小電流應(yīng)用中，電荷泵方案的低成本優(yōu)勢使其具有一定的競爭力。然而，其驅(qū)動(dòng)電流能力相對(duì)較弱，在一些對(duì)驅(qū)動(dòng)電流要求較高的應(yīng)用中可能不太適用。

升降壓防反保護(hù)方案

升降壓方案提供強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力和出色的 EMC 性能。該方案非常適合大電流和高性能環(huán)境，例如汽車域控制器和音響系統(tǒng)。升降壓拓?fù)淇梢蕴峁└蟮尿?qū)動(dòng)電流能力和更快的輸入干擾響應(yīng)能力。在輸入疊加 100kHz，峰峰值 2V 條件下進(jìn)行實(shí)測，測量結(jié)果顯示，驅(qū)動(dòng) IC 實(shí)時(shí)監(jiān)測了 NMOS 的漏極與源極。如果 VS 低于 VD，則 VIN 低于系統(tǒng)電壓，MOSFET 驅(qū)動(dòng)關(guān)斷，體二極管提供防反保護(hù)功能防止電容電流回流；如果 VS 超過 VD，則 VIN 超過系統(tǒng)電壓，MOSFET 驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通，可避免體二極管導(dǎo)通影響效率。

此外，在防反保護(hù)驅(qū)動(dòng) IC 中采用升降壓驅(qū)動(dòng) IC 還可以提高 EMC 性能。電荷泵雖然沒有電感，但它是一種容性開關(guān)電源，由于效率低需要極高的工作頻率，通常情況下，集成電容?。ㄔ?pF 范圍內(nèi)）而外部電容大（在 μF 范圍內(nèi)），因此，電荷泵的開關(guān)頻率 (fSW) 常超過 10MHz，這種高頻率將導(dǎo)致 EMI 問題。而升降壓拓?fù)渫ㄟ^采用固定峰值電流控制，較小負(fù)載對(duì)應(yīng)較低的 fSW，可提升 EMC 性能。

MPQ5850 - AEC1 簡介

MPQ5850 - AEC1 是一款智能二極管控制芯片，它可以替代肖特基二極管，驅(qū)動(dòng)外部 NMOS 實(shí)現(xiàn)反向輸入保護(hù)。該器件采用 TSOT23 - 8 封裝，非常適合汽車?yán)鋯?dòng)條件。通過對(duì)電荷泵拓?fù)渑c采用升降壓拓?fù)涞?MPQ5850 - AEC1 進(jìn)行 EMC 性能比較，左邊的電荷泵拓?fù)淇赡軙?huì)存在潛在的 EMC 問題，而右邊的 MPQ5850 - AEC1 方案能完美通過國標(biāo)等級(jí) 5 測試。