防反保護(hù)電路的設(shè)計(jì)（下篇）

芻狗

本系列的上、下兩篇文章探討了防反保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。 上篇 介紹了各種脈沖干擾以及在汽車(chē)電子產(chǎn)品中設(shè)計(jì)防反保護(hù)電路的必要性，同時(shí)回顧了 PMOS 方案保護(hù)電路的特性；本文為下篇，將討論使用 NMOS 和升降壓驅(qū)動(dòng) IC 實(shí)現(xiàn)的防反保護(hù)電路。

NMOS

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。具體描述如下：
● 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(chē) USB 供電設(shè)備 (PD) 大功率充電模塊。
● 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(chē)域控制器和音響系統(tǒng)。
圖 1 顯示了電荷泵方案與升降壓方案的特性。

圖 1：電荷泵方案與升降壓（Buck-Boost）方案
驅(qū)動(dòng)IC的工作原理
圖2顯示了具有電荷泵拓?fù)涞腘MOS驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)化工作原理圖。

圖 2：電荷泵拓?fù)涞墓ぷ髟�理圖
CLK周期描述如下：
1. S1和S2導(dǎo)通
2. C0 由內(nèi)部對(duì)地電壓源充電
3. S3和S4導(dǎo)通
4. C1 由 C0 上的電壓充電
C0 是具有快速充電和放電速度的小電容，而 C1 則是具有大負(fù)載能力的大電容。因此，通過(guò)S1和S2（以及S3和S4）的頻繁切換， C0 上的電荷可以不斷傳輸給 C1，而 C1 的負(fù)端連接至電池電壓 (VBATT)。最終，NMOS由一個(gè)大于 VBATT 的電壓驅(qū)動(dòng)。
圖 3 顯示了具有升降壓拓?fù)涞?NMOS 驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)化工作原理圖。

圖 3：升降壓拓?fù)涞墓ぷ髟�理圖
在升降壓拓?fù)渲校?font style="color:rgb(43, 122, 205)">功率MOSFET放在低邊。當(dāng) S_BAT 導(dǎo)通時(shí)， VIN 對(duì)電感充電，電感電壓為負(fù)；當(dāng)S_BAT關(guān)斷時(shí)，電感將通過(guò)二極管釋放能量，電感電壓為正，并為 C1充電。當(dāng) C1 上的電壓超過(guò) VBATT 時(shí)，NMOS柵極將被驅(qū)動(dòng)。
升降壓驅(qū)動(dòng) IC 的優(yōu)勢(shì)
在防反保護(hù)驅(qū)動(dòng) IC 中采用升降壓驅(qū)動(dòng) IC 有兩個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)：增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電流能力并提高 EMC 性能。
驅(qū)動(dòng)電流能力
升降壓拓?fù)淇梢蕴峁└�大的�?qū)動(dòng)電流能力和更快的輸入干擾響應(yīng)能力。例如，輸入疊加100kHz，峰峰值2V條件下進(jìn)行實(shí)測(cè)。測(cè)量結(jié)果如圖 4所示，其中包含輸入防反保護(hù) MOSFET 的源極電壓（粉色）、通過(guò)防反保護(hù) MOSFET 的漏極電壓（淺藍(lán)色）、MOSFET 驅(qū)動(dòng) VGS （紅色）和負(fù)載電流（綠色）。

圖 4：升降壓拓?fù)涞臏y(cè)量波形（疊加交流紋波脈沖 = 100kHz，峰-峰值 = 2V）
波形顯示出，驅(qū)動(dòng)IC實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了NMOS的漏極與源極。在測(cè)試條件下，輸入電壓 （VIN） 與源極電壓 (VS)一致，而系統(tǒng)電壓則與漏極電壓 (VD)一致。
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(guò) VD，則 VIN 超過(guò)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。
如果采用電荷泵型防反驅(qū)動(dòng)，由于其驅(qū)動(dòng)電流能力不強(qiáng)，在輸入電壓快速波動(dòng)時(shí)，容易產(chǎn)生門(mén)極驅(qū)動(dòng)脈沖丟失或者常開(kāi)的異常現(xiàn)象。
我們對(duì)電荷泵防反保護(hù)電路進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如圖 5所示，其中包括防反保護(hù) MOSFET 的輸入源極電壓（黃色）、輸出漏極電壓（紅色）、驅(qū)動(dòng) VGS（綠色）和負(fù)載電流（藍(lán)色）。

圖 5：電荷泵拓?fù)涞臏y(cè)量波形
當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)脈沖丟失時(shí)，MOSFET不會(huì)被驅(qū)動(dòng)。與此同時(shí)，體二極管導(dǎo)通將導(dǎo)致大量熱損耗。而且在導(dǎo)通時(shí)，將產(chǎn)生較大的充電電流尖峰。
當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)脈沖常開(kāi)的時(shí)間內(nèi)，MOSFET 通常也會(huì)導(dǎo)通。與此同時(shí)，電解電容會(huì)反復(fù)充放電，從而導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重。
提升EMC 性能
升降壓拓?fù)溥�可以提升 EMC 性能。電荷泵雖然沒(méi)有電感，但它是一種容性開(kāi)關(guān)電源，由于效率低需要極高的工作頻率。通常情況下，集成電容小（在 pF 范圍內(nèi)）而外部電容大（在 μF 范圍內(nèi)）。因此，電荷泵的開(kāi)關(guān)頻率 (fSW) 常超過(guò) 10MHz，這種高頻率將導(dǎo)致 EMI 問(wèn)題。
采用升降壓驅(qū)動(dòng) IC 可提高效率。通過(guò)采用固定峰值電流控制，較小負(fù)載對(duì)應(yīng)較低的 fSW。因此，升降壓拓?fù)淇商嵘?EMC 性能（參見(jiàn)圖 6）。

圖 6：升降壓拓?fù)涞暮愣ǚ逯惦娏?br /> MPQ5850-AEC1簡(jiǎn)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(chē)?yán)鋯��?dòng)條件。
圖 7 對(duì)電荷泵拓?fù)渑c采用升降壓拓?fù)涞腗PQ5850-AEC1進(jìn)行了EMC 性能比較。左邊的電荷泵拓?fù)淇赡軙?huì)存在潛在的EMC 問(wèn)題，而右邊的MPQ5850-AEC1 方案能完美通過(guò)國(guó)標(biāo)等級(jí)５測(cè)試。

圖7：電荷泵拓?fù)渑cMPQ5850-AEC1的比較
結(jié)語(yǔ)
采用最佳的防反保護(hù)電路設(shè)計(jì)對(duì)通過(guò)各種脈沖干擾測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)非常重要。與傳統(tǒng)的 PMOS電路相比，NMOS 電路提高了驅(qū)動(dòng)電流能力和 EMC 性能。MPS的 MPQ5850-AEC1 可提供反向輸入保護(hù)功能并滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)。欲了解更多詳情，請(qǐng)瀏覽MPS行業(yè)領(lǐng)先的 負(fù)載開(kāi)關(guān)和控制器相關(guān)頁(yè)面，這些產(chǎn)品均以緊湊的封裝提供了易于使用且安全的解決方案。

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