防反保護電路的設計（上篇）

芻狗

汽車電源系統常在極為惡劣的環境下運行，數以百計的負載掛在汽車電池上，需要同時確定負載狀態的汽車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時，設計人員需要考慮電源線產生的各種脈沖可能帶來的影響。

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，我們將介紹汽車電源線上的各種脈沖干擾，然后討論防反保護電路的常見類型，并重點關注 PMOS電路； 下篇 將討論使用 NMOS和驅動器 IC 實現的防反保護電路設計。

脈沖干擾
圖 1 顯示了不同應用場景下電源線上可能出現的各種脈沖類型。例如，當大功率負載突然關閉，電池電壓可能產生過沖；當大功率負載突然啟動，電池電壓將會跌落。當感應線束突然松動，負載上將產生負電壓脈沖。而發電機運行時，交流紋波會疊加在電池上。還有使用跳線時，備用電池可能使用錯誤，從而導致極性反接，此時電池電壓極性長時間反接。

圖1: 不同應用場景下的脈沖類型
為解決汽車電源線上可能存在的各種脈沖干擾，行業協會和主要汽車制造商已經制定了相關的測試標準來模擬電源線的瞬態脈沖。這些標準包括 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2，以及梅賽德斯-奔馳和大眾汽車的測試標準。防反保護電路作為最前端的電路，也必須滿足行業測試標準。
防反保護電路
防反保護電路包括三種基本類型，如下所述。
串聯肖特基二極管
這種電路通常用于 2A 至 3A 之間的小電流應用，其電路簡單且成本低，但功耗較大。
在高邊串聯PMOS
對于電流超過 3A 的應用，可以將PMOS放置在高邊。這種驅動電路相對簡單，但缺點是PMOS成本較高。
當電源正接時，PMOS溝道導通，管壓降小，損耗和溫升低。 當電源反接時，PMOS溝道關斷，寄生體二極管實現防反保護功能。
在低邊串聯NMOS
這種電路需要在低邊放置一個 NMOS。簡化的柵極驅動電路通常會采用高性價比的 NMOS。該電路的功能類似于放置在高邊的 PMOS。但是，這種防反保護結構意味著電源地和負載地是分開的，這種結構在汽車電子產品設計中很少使用。
圖 2 對這幾種防反保護電路進行了總結。

圖 2：防反保護電路的類型
本文將重點介紹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 PMOS 的體二極管流向負載端。如果正向電壓超過 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連接一個電壓調節器，以防止柵源電壓 (VGS) 出現過壓情況，同時還可以保護 PMOS在輸入功率波動時不會被擊穿。
但基本的 PMOS 防反保護電路也有兩個缺點：系統待機電流大和存在反灌電流。下面將對此進行詳述。
系統待機電流較大
當PMOS用于防反保護電路時， VGS 和保護電路（由齊納二極管和限流電阻組成）周圍會存在漏電流。因此，限流電阻 (R) 會對整體待機功耗產生影響。
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，如果限流電阻過大，齊納二極管不能可靠導通，鉗位性能會明顯降低，從而導致 VGS 出現過壓風險。另一方面，限流電阻太大意味著PMOS 驅動電流較小，這會導致較慢的開/關過程。如果輸入電壓(VIN) 發生波動，PMOS可能會長時間工作在線性區域（在該區域的 MOSFET 未完全導通），由此產生的高電阻會導致器件過熱。
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
在進行 ISO 16750 輸入電壓跌落測試時，PMOS 在 VIN 跌降時保持開路。在這種情況下，系統電容電壓會使電源極性反轉，從而導致系統電源故障并觸發中斷功能。而在疊加交流電輸入電壓測試中，由于 PMOS 完全開路，將導致電流回流。這會迫使電解電容反復充電和放電，最終導致過熱。
圖 4 顯示了輸入電壓的跌落測試。

圖 4：輸入電壓跌落測試

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