【導讀】汽車(chē)電源系統常在極為惡劣的環(huán)境下運行，數以百計的負載掛在汽車(chē)電池上，需要同時(shí)確定負載狀態(tài)的汽車(chē)電池可能面臨極大的挑戰。當負載處于不同工作條件和潛在故障狀態(tài)時(shí)，設計人員需要考慮電源線(xiàn)產(chǎn)生的各種脈沖可能帶來(lái)的影響。
本系列的上、下兩篇文章將探討如何設計防反保護電路。本文為上篇，我們將介紹汽車(chē)電源線(xiàn)上的各種脈沖干擾，然后討論防反保護電路的常見(jiàn)類(lèi)型，并重點(diǎn)關(guān)注 PMOS電路； 下篇 將討論使用 NMOS和驅動(dòng)器 IC 實(shí)現的防反保護電路設計。
脈沖干擾
圖 1 顯示了不同應用場(chǎng)景下電源線(xiàn)上可能出現的各種脈沖類(lèi)型。例如，當大功率負載突然關(guān)閉，電池電壓可能產(chǎn)生過(guò)沖；當大功率負載突然啟動(dòng)，電池電壓將會(huì )跌落。當感應線(xiàn)束突然松動(dòng)，負載上將產(chǎn)生負電壓脈沖。而發(fā)電機運行時(shí)，交流紋波會(huì )疊加在電池上。還有使用跳線(xiàn)時(shí)，備用電池可能使用錯誤，從而導致極性反接，此時(shí)電池電壓極性長(cháng)時(shí)間反接。
圖1: 不同應用場(chǎng)景下的脈沖類(lèi)型
為解決汽車(chē)電源線(xiàn)上可能存在的各種脈沖干擾，行業(yè)協(xié)會(huì )和主要汽車(chē)制造商已經(jīng)制定了相關(guān)的測試標準來(lái)模擬電源線(xiàn)的瞬態(tài)脈沖。這些標準包括 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2，以及梅賽德斯-奔馳和大眾汽車(chē)的測試標準。防反保護電路作為最前端的電路，也必須滿(mǎn)足行業(yè)測試標準。
防反保護電路
防反保護電路包括三種基本類(lèi)型，如下所述。
串聯(lián)肖特基二極管
這種電路通常用于 2A 至 3A 之間的小電流應用，其電路簡(jiǎn)單且成本低，但功耗較大。
在高邊串聯(lián)PMOS
對于電流超過(guò) 3A 的應用，可以將PMOS放置在高邊。這種驅動(dòng)電路相對簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是PMOS成本較高。
當電源正接時(shí)，PMOS溝道導通，管壓降小，損耗和溫升低。 當電源反接時(shí)，PMOS溝道關(guān)斷，寄生體二極管實(shí)現防反保護功能。
在低邊串聯(lián)NMOS
這種電路需要在低邊放置一個(gè) NMOS。簡(jiǎn)化的柵極驅動(dòng)電路通常會(huì )采用高性?xún)r(jià)比的 NMOS。該電路的功能類(lèi)似于放置在高邊的 PMOS。但是，這種防反保護結構意味著(zhù)電源地和負載地是分開(kāi)的，這種結構在汽車(chē)電子產(chǎn)品設計中很少使用。
圖 2 對這幾種防反保護電路進(jìn)行了總結。
圖 2：防反保護電路的類(lèi)型
本文將重點(diǎn)介紹PMOS防反保護電路。
PMOS
大多數傳統的防反保護電路均采用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(guò) PMOS 的體二極管流向負載端。如果正向電壓超過(guò) PMOS的電壓閾值，則通道導通。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)電壓調節器，以防止柵源電壓 (VGS) 出現過(guò)壓情況，同時(shí)還可以保護 PMOS在輸入功率波動(dòng)時(shí)不會(huì )被擊穿。
但基本的 PMOS 防反保護電路也有兩個(gè)缺點(diǎn)：系統待機電流大和存在反灌電流。下面將對此進(jìn)行詳述。
系統待機電流較大
當PMOS用于防反保護電路時(shí)， VGS 和保護電路（由齊納二極管和限流電阻組成）周?chē)鷷?huì )存在漏電流。因此，限流電阻 (R) 會(huì )對整體待機功耗產(chǎn)生影響。
限流電阻的取值不應太大。一方面，普通穩壓管的正常鉗位電流基本為mA級，如果限流電阻過(guò)大，齊納二極管不能可靠導通，鉗位性能會(huì )明顯降低，從而導致 VGS 出現過(guò)壓風(fēng)險。另一方面，限流電阻太大意味著(zhù)PMOS 驅動(dòng)電流較小，這會(huì )導致較慢的開(kāi)/關(guān)過(guò)程。如果輸入電壓(VIN) 發(fā)生波動(dòng)，PMOS可能會(huì )長(cháng)時(shí)間工作在線(xiàn)性區域（在該區域的 MOSFET 未完全導通），由此產(chǎn)生的高電阻會(huì )導致器件過(guò)熱。
圖 3 顯示了傳統 PMOS 防反保護電路中的待機電流。
圖 3：傳統 PMOS 防反保護電路中的待機電流
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(kāi)路。在這種情況下，系統電容電壓會(huì )使電源極性反轉，從而導致系統電源故障并觸發(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(kāi)路，將導致電流回流。這會(huì )迫使電解電容反復充電和放電，最終導致過(guò)熱。
圖 4 顯示了輸入電壓的跌落測試。
圖 4：輸入電壓跌落測試
結語(yǔ)
本文回顧了傳統 PMOS 防反保護電路及其主要缺點(diǎn)，包括大的系統待機電流和反灌電流。 本系列的 下篇 將討論采用 NMOS 和升降壓驅動(dòng) IC 設計防反保護電路的優(yōu)勢。
來(lái)源：MPS
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