為反向極性保護(hù)設(shè)計(jì)一個(gè)電路 - 全文

　　反向極性解決方案被看成是一個(gè)迫不得已、不得不做的事情。例如，在汽車系統(tǒng)中，搭線啟動(dòng)期間，防止電池反接或者電纜反向連接很重要，然而系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也必須忍受反向極性保護(hù)出現(xiàn)時(shí)的功率損耗。通常情況下，一提到防止反向極性情況，工程師的腦海中首先想到的就是二極管。你是不是覺得有些奇怪，孩子的玩具在裝上電池后不工作，但是當(dāng)你把電池的方向調(diào)過來(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心一整天。

　　現(xiàn)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(hù)的所有應(yīng)用呢？傳統(tǒng)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(yīng)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)和汽車應(yīng)用中，大多數(shù)前端接口要求反向極性保護(hù)，而這一保護(hù)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(yīng)用。然而，p通道MOSFET的Rds（on） 在低輸入電壓時(shí)變得過高，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(hào)將其關(guān)閉。我們?cè)陔S后會(huì)討論p通道 MOSFET在使用時(shí)的其它弊端。

　　那么我們?cè)撊绾问褂靡粋€(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(yùn)行方式與一個(gè)二極管的運(yùn)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(xiàn)在我們面前，即LM74610-Q1。由于汽車中的很多電子控制模塊直接連接至汽車電池，所以這款器件在汽車應(yīng)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(hù)，而反向電壓是與錯(cuò)誤搭線啟動(dòng)過程相關(guān)的常見問題。圖1中顯示的是一個(gè)針對(duì)汽車前端系統(tǒng)的應(yīng)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(duì)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(duì)于所需電流大于2-3A的模塊，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員將使用一個(gè)p通道MOSFET來(lái)在反向電壓情況出現(xiàn)時(shí)提供保護(hù)功能。然而，這樣的控制電路比較復(fù)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(tǒng)成本。P通道MOSFET常見的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(yīng)用中很常見。如圖2所示，實(shí)驗(yàn)室測(cè)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條件導(dǎo)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(yīng)用也需要二極管或MOSFET。汽車領(lǐng)域最近的一個(gè)趨勢(shì)就是使用冗余電池連接—通常為兩條已安裝保險(xiǎn)裝置的電源路徑—將這兩條電源路徑置于針對(duì)安全關(guān)鍵應(yīng)用的模塊之中。緊急呼叫系統(tǒng) （E-call） 盒子包含用于正常運(yùn)行的汽車電池的冗余電源，以及一個(gè)備用應(yīng)急電池，以應(yīng)對(duì)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(yīng)用需要更加復(fù)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。汽車和工業(yè)應(yīng)用很重視可靠性，從而使設(shè)計(jì)人員盡可能地減少組件和引腳數(shù)量，以降低故障率。

　　在需要低靜態(tài)電流流耗的應(yīng)用中，針對(duì)輸入保護(hù)的以接地為基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方案并不那么實(shí)用。汽車排放標(biāo)準(zhǔn)和車輛中數(shù)量越來(lái)越多的電子模塊已經(jīng)對(duì)關(guān)閉和接通狀態(tài)下的電流提出了更加嚴(yán)格的預(yù)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?cè)诎哑囃Ｔ跈C(jī)場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)2個(gè)星期之后仍然能夠啟動(dòng)車輛的原因。

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

　　這個(gè)不以接地為基準(zhǔn)的主要優(yōu)勢(shì)在與，LM76410-Q1消耗的靜態(tài)電流為零。當(dāng)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(dāng)施加一個(gè)正常的極性電壓時(shí)，這個(gè)體二極管導(dǎo)電，內(nèi)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，以重新裝滿電荷泵。一個(gè)受保護(hù)電路將在98%占空比上，以固定的時(shí)間間隔出現(xiàn)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。智能二極管控制器模擬了這個(gè)運(yùn)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汽車應(yīng)用測(cè)試的一項(xiàng)重要特性。ISO7637技術(shù)規(guī)格要求，在由12電源供電運(yùn)行時(shí)，電子模塊對(duì)于負(fù)電壓脈沖的影響要做出動(dòng)態(tài)地響應(yīng)。

　　對(duì)于反向電壓的慢速響應(yīng)會(huì)導(dǎo)致輸出在脈沖期間變?yōu)樨?fù)值，或者嚴(yán)重放電。如果輸出變?yōu)樨?fù)值或者電容器嚴(yán)重放電，那么下游電子元器件就有可能被損壞。為了防止嚴(yán)重放電，可以使用更大的大容量電容器，不過這需要更多的電路板空間，成本也會(huì)更高。實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(jié)構(gòu)快很多。圖4顯示的是對(duì)于反向極性的快速操作相應(yīng)，并且如圖5所示，由于使用了一個(gè)小型4.7uF輸出電容器，它能夠滿足 ISO7637脈沖1的要求。

　　圖4：LM74610-Q1對(duì)于反向電壓的響應(yīng)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(duì)智能二極管實(shí)現(xiàn)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)高效的汽車和工業(yè)前端反向極性結(jié)構(gòu)，并且能夠從低電流擴(kuò)展至非常高的電流。圖6顯示的是可以實(shí)現(xiàn)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%。