你是不是覺(jué)得有些奇怪，孩子的玩具在裝上電池后不工作，但是當你把電池的方向調過(guò)來(lái)后，玩具突然就好了？嗯，這就是反向極性電路起到的作用，一個(gè)簡(jiǎn)單的二極管就能使你的孩子開(kāi)心一整天。

 

現在，我們?yōu)槭裁床荒軐⒁粋€(gè)二極管用于需要反向極性保護的所有應用呢？傳統二極管上有0.7V的壓降，而二極管上的功率損耗為V x I。想象一個(gè)要求5A電源的應用。如果使用一個(gè)肖特基二極管，那么功率損耗大約為3.5W。除了功率耗散，電路中的可用電壓為電源電壓減去二極管壓降。

 

在工業(yè)和汽車(chē)應用中，大多數前端接口要求反向極性保護，而這一保護功能通常由二極管或MOSFET提供。由于它不需要電荷泵，p通道MOSFET一直用于高電流應用。然而，p通道MOSFET的Rds(on) 在低輸入電壓時(shí)變得過(guò)高，并且它不能防止反向電流流回到輸入端。為了減少靜態(tài)電流，它還需要額外的電路和信號將其關(guān)閉。我們在隨后會(huì )討論p通道MOSFET在使用時(shí)的其它弊端。

 

那么我們該如何使用一個(gè)簡(jiǎn)單的n通道MOSFET，并確保我們無(wú)需任何的額外電路，而且要使其運行方式與一個(gè)二極管的運行方式完全一樣，而又不產(chǎn)生功率損耗呢？

 

這時(shí)就有一個(gè)智能二極管控制器出現在我們面前，即LM74610-Q1。由于汽車(chē)中的很多電子控制模塊直接連接至汽車(chē)電池，所以這款器件在汽車(chē)應用中越來(lái)越受到歡迎。任何一個(gè)連接至電池的模塊需要受到反向電壓保護，而反向電壓是與錯誤搭線(xiàn)啟動(dòng)過(guò)程相關(guān)的常見(jiàn)問(wèn)題。圖1中顯示的是一個(gè)針對汽車(chē)前端系統的應用電路。LM74610-Q1智能二極管控制器，連同一個(gè)n通道MOSFET和電荷泵電容器，組成了智能二極管解決方案。

 

圖1：LM74610-Q1智能二極管控制器和n通道MOSFET的典型用例。

 

對于那些具有低電流要求的模塊來(lái)說(shuō)，二極管也許更加實(shí)用，而對于所需電流大于2-3A的模塊，大多數設計人員將使用一個(gè)p通道MOSFET來(lái)在反向電壓情況出現時(shí)提供保護功能。然而，這樣的控制電路比較復雜，并且高電流p通道MOSFET也比較昂貴，并且會(huì )增加總體系統成本。P通道MOSFET常見(jiàn)的Rds(on) 會(huì )在低輸入電壓時(shí)急劇上升，而這一情況在啟停應用中很常見(jiàn)。如圖2所示，實(shí)驗室測試已經(jīng)證明，在低輸入電壓時(shí)，p通道MOSFET具有比肖特基二極管更低的熱性能。P通道MOSFET也沒(méi)有反向電流切斷，從而在電壓中斷、熱啟動(dòng)、冷啟動(dòng)和啟停情況等典型汽車(chē)條件導致的任何輸入下降期間，攫取大量的電容器電壓。

 

圖2：智能二極管控制器（加上n通道MOSFET）與p通道MOSFET的性能比較圖。

 

ORing應用也需要二極管或MOSFET。汽車(chē)領(lǐng)域最近的一個(gè)趨勢就是使用冗余電池連接—通常為兩條已安裝保險裝置的電源路徑—將這兩條電源路徑置于針對安全關(guān)鍵應用的模塊之中。緊急呼叫系統 (E-call) 盒子包含用于正常運行的汽車(chē)電池的冗余電源，以及一個(gè)備用應急電池，以應對主電池連接脫離的情況。

 

低電流模塊通常將二極管用于ORing。高電流ORing應用需要更加復雜的電路，其中具有很多相關(guān)的分立式組件和大型多引腳封裝。汽車(chē)和工業(yè)應用很重視可靠性，從而使設計人員盡可能地減少組件和引腳數量，以降低故障率。

 

在需要低靜態(tài)電流流耗的應用中，針對輸入保護的以接地為基準的設計方案并不那么實(shí)用。汽車(chē)排放標準和車(chē)輛中數量越來(lái)越多的電子模塊已經(jīng)對關(guān)閉和接通狀態(tài)下的電流提出了更加嚴格的預算要求。通常情況下，每個(gè)電子模塊的關(guān)閉狀態(tài)可以低至100µA。這也是我們在把汽車(chē)停在機場(chǎng)長(cháng)達2個(gè)星期之后仍然能夠啟動(dòng)車(chē)輛的原因。

 

LM74610-Q1，連同一個(gè)n通道MOSFET能夠更好地滿(mǎn)足低靜態(tài)電流的要求。它提供與二極管相類(lèi)似的反向極性保護，以及在正常極性條件下，類(lèi)似于MOSFET的性能。由于這個(gè)器件無(wú)需任何控制信號，LM76410-Q1模擬一個(gè)雙端子器件，并且不是以接地為基準的。

 

這個(gè)不以接地為基準的主要優(yōu)勢在與，LM76410-Q1消耗的靜態(tài)電流為零。當施加反向電壓時(shí)，MOSFET的體二極管并未接通，所以它也不會(huì )接通LM74610-Q1。當施加一個(gè)正常的極性電壓時(shí)，這個(gè)體二極管導電，內部電荷泵電路以二極管的電壓?jiǎn)?dòng)，并且生成使MOSFET接通的電壓。MOSFET定期（在1%的占空比時(shí)）關(guān)閉，以重新裝滿(mǎn)電荷泵。一個(gè)受保護電路將在98%占空比上，以固定的時(shí)間間隔出現一個(gè)0.6V的壓降。在將一個(gè)2.2µF電容器用作電荷泵電容器時(shí)，MOSFET每隔2.6s一次性關(guān)閉大約50ms。圖3顯示的是LM74610-Q1的方框圖。

 

圖3：LM74610-Q1方框圖

 

二極管的一個(gè)固有屬性就是阻斷反向電壓，并且不讓反向電流流過(guò)。智能二極管控制器模擬了這個(gè)運行方式，并且在反向電流期間具有極快速的關(guān)閉時(shí)間（通常為2µs）。按照ISO7637，阻斷反向電壓是通過(guò)汽車(chē)應用測試的一項重要特性。ISO7637技術(shù)規格要求，在由12電源供電運行時(shí)，電子模塊對于負電壓脈沖的影響要做出動(dòng)態(tài)地響應。

 

對于反向電壓的慢速響應會(huì )導致輸出在脈沖期間變?yōu)樨撝?，或者嚴重放電。如果輸出變?yōu)樨撝祷蛘唠娙萜鲊乐胤烹?，那么下游電子元器件就有可能被損壞。為了防止嚴重放電，可以使用更大的大容量電容器，不過(guò)這需要更多的電路板空間，成本也會(huì )更高。實(shí)驗室測試也已經(jīng)證明，智能二極管控制器要比一個(gè)p通道MOSFET的結構快很多。圖4顯示的是對于反向極性的快速操作相應，并且如圖5所示，由于使用了一個(gè)小型4.7uF輸出電容器，它能夠滿(mǎn)足ISO7637脈沖1的要求。

 

圖4：LM74610-Q1對于反向電壓的響應時(shí)間。

 

圖5：智能二極管控制器解決方案—采用4.7uF輸出電容器時(shí)的ISO脈沖1。

 

圖6：針對智能二極管實(shí)現方式的小外形尺寸 (8mm x 12mm)。

 

LM74610-Q1智能二極管控制器和一個(gè)n通道MOSFET組合在一起，形成了一個(gè)高效的汽車(chē)和工業(yè)前端反向極性結構，并且能夠從低電流擴展至非常高的電流。圖6顯示的是可以實(shí)現的，用于100W解決方案的小外形尺寸 (117mm2)，它的尺寸大約為D2PAK二極管尺寸（180mm2）的60%。

 

其它資源：

 

●    在你的下一個(gè)設計中考慮使用LM74610-Q1智能二極管控制器。

●    使用LM74610-Q1 SPICE模型來(lái)分析你的智能二極管控制器設計。

●    下載一個(gè)參考設計，并且加快產(chǎn)品的上市時(shí)間：

      ○ 針對具有所需汽車(chē)保護功能的30W ADAS系統的系統級參考設計

      ○ 針對具有所需汽車(chē)保護功能的20W ADAS系統的系統級參考設計

      ○ 針對基于低功耗TDA3x的系統的汽車(chē)電源參考設計

      ○ 完整的前端汽車(chē)類(lèi)反向極性和串聯(lián)故障保護參考設計

 

 

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