PMOS防反保護(hù)電路設(shè)計(jì)介紹

概述

汽車電源系統(tǒng)常在極為惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，數(shù)以百計(jì)的負(fù)載掛在汽車電池上，需要同時(shí)確定負(fù)載狀態(tài)的汽車電池可能面臨極大的挑戰(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 顯示了不同應(yīng)用場(chǎng)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，電池電壓可能產(chǎn)生過沖；當(dāng)大功率負(fù)載突然啟動(dòng)，電池電壓將會(huì)跌落。當(dāng)感應(yīng)線束突然松動(dòng)，負(fù)載上將產(chǎn)生負(fù)電壓脈沖。而發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，交流紋波會(huì)疊加在電池上。還有使用跳線時(shí)，備用電池可能使用錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致極性反接，此時(shí)電池電壓極性長時(shí)間反接。

圖1: 不同應(yīng)用場(chǎng)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(yè)協(xié)會(huì)和主要汽車制造商已經(jīng)制定了相關(guān)的測(cè)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。防反保護(hù)電路作為最前端的電路，也必須滿足行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

防反保護(hù)電路

防反保護(hù)電路包括三種基本類型，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(yīng)用，其電路簡單且成本低，但功耗較大。

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，但缺點(diǎn)是PMOS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。

圖 2 對(duì)這幾種防反保護(hù)電路進(jìn)行了總結(jié)。

圖 2：防反保護(hù)電路的類型

本文將重點(diǎn)介紹PMOS防反保護(hù)電路。

PMOS

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)電路也有兩個(gè)缺點(diǎn)：系統(tǒng)待機(jī)電流大和存在反灌電流。下面將對(duì)此進(jìn)行詳述。

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。

圖 3 顯示了傳統(tǒng) PMOS 防反保護(hù)電路中的待機(jī)電流。

存在反灌電流

在進(jìn)行 ISO 16750 輸入電壓跌落測(cè)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(cè)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。

圖 4 顯示了輸入電壓的跌落測(cè)試。

圖 4：輸入電壓跌落測(cè)試

結(jié)語

本文回顧了傳統(tǒng) PMOS 防反保護(hù)電路及其主要缺點(diǎn)，包括大的系統(tǒng)待機(jī)電流和反灌電流。?

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 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)簡化工作原理圖。

圖 2：電荷泵拓?fù)涞墓ぷ髟韴D

CLK周期描述如下：

S1和S2導(dǎo)通

C0?由內(nèi)部對(duì)地電壓源充電

S3和S4導(dǎo)通

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)簡化工作原理圖。

圖 3：升降壓拓?fù)涞墓ぷ髟韴D

在升降壓拓?fù)渲校β蔒OSFET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 VBATT?時(shí)，NMOS柵極將被驅(qū)動(dòng)。

編輯：黃飛

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