反向極性解決方案：為反向極性保護設計一個電路

反向極性解決方案被看成是一個迫不得已、不得不做的事情。例如，在汽車系統中，搭線啟動期間，防止電池反接或者電纜反向連接很重要，然而系統設計人員也必須忍受反向極性保護出現時的功率損耗。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，但是當你把電池的方向調過來后，玩具突然就好了？嗯，這就是反向極性電路起到的作用，一個簡單的二極管就能使你的孩子開心一整天。

現在，我們?yōu)槭裁床荒軐⒁粋€二極管用于需要反向極性保護的所有應用呢？傳統二極管上有0.7V的壓降，而二極管上的功率損耗為V x I。想象一個要求5A電源的應用。如果使用一個肖特基二極管，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)和汽車應用中，大多數前端接口要求反向極性保護，而這一保護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一直用于高電流應用。然而，p通道MOSFET的Rds(on) 在低輸入電壓時變得過高，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將其關閉。我們在隨后會討論p通道MOSFET在使用時的其它弊端。

那么我們該如何使用一個簡單的n通道MOSFET，并確保我們無需任何的額外電路，而且要使其運行方式與一個二極管的運行方式完全一樣，而又不產生功率損耗呢？

這時就有一個智能二極管控制器出現在我們面前，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用中越來越受到歡迎。任何一個連接至電池的模塊需要受到反向電壓保護，而反向電壓是與錯誤搭線啟動過程相關的常見問題。圖1中顯示的是一個針對汽車前端系統的應用電路。LM74610-Q1智能二極管控制器，連同一個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。

對于那些具有低電流要求的模塊來說，二極管也許更加實用，而對于所需電流大于2-3A的模塊，大多數設計人員將使用一個p通道MOSFET來在反向電壓情況出現時提供保護功能。然而，這樣的控制電路比較復雜，并且高電流p通道MOSFET也比較昂貴，并且會增加總體系統成本。P通道MOSFET常見的Rds(on) 會在低輸入電壓時急劇上升，而這一情況在啟停應用中很常見。如圖2所示，實驗室測試已經證明，在低輸入電壓時，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、冷啟動和啟停情況等典型汽車條件導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應用也需要二極管或MOSFET。汽車領域最近的一個趨勢就是使用冗余電池連接—通常為兩條已安裝保險裝置的電源路徑—將這兩條電源路徑置于針對安全關鍵應用的模塊之中。緊急呼叫系統 (E-call) 盒子包含用于正常運行的汽車電池的冗余電源，以及一個備用應急電池，以應對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應用需要更加復雜的電路，其中具有很多相關的分立式組件和大型多引腳封裝。汽車和工業(yè)應用很重視可靠性，從而使設計人員盡可能地減少組件和引腳數量，以降低故障率。

在需要低靜態(tài)電流流耗的應用中，針對輸入保護的以接地為基準的設計方案并不那么實用。汽車排放標準和車輛中數量越來越多的電子模塊已經對關閉和接通狀態(tài)下的電流提出了更加嚴格的預算要求。通常情況下，每個電子模塊的關閉狀態(tài)可以低至100μA。這也是我們在把汽車停在機場長達2個星期之后仍然能夠啟動車輛的原因。

LM74610-Q1，連同一個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，以及在正常極性條件下，類似于MOSFET的性能。由于這個器件無需任何控制信號，LM76410-Q1模擬一個雙端子器件，并且不是以接地為基準的。

這個不以接地為基準的主要優(yōu)勢在與，LM76410-Q1消耗的靜態(tài)電流為零。當施加反向電壓時，MOSFET的體二極管并未接通，所以它也不會接通LM74610-Q1。當施加一個正常的極性電壓時，這個體二極管導電，內部電荷泵電路以二極管的電壓啟動，并且生成使MOSFET接通的電壓。MOSFET定期（在1%的占空比時）關閉，以重新裝滿電荷泵。一個受保護電路將在98%占空比上，以固定的時間間隔出現一個0.6V的壓降。在將一個2.2μF電容器用作電荷泵電容器時，MOSFET每隔2.6s一次性關閉大約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運行方式，并且在反向電流期間具有極快速的關閉時間（通常為2μs）。按照ISO7637，阻斷反向電壓是通過汽車應用測試的一項重要特性。ISO7637技術規(guī)格要求，在由12電源供電運行時，電子模塊對于負電壓脈沖的影響要做出動態(tài)地響應。

對于反向電壓的慢速響應會導致輸出在脈沖期間變?yōu)樨撝担蛘邍乐胤烹?。如果輸出變?yōu)樨撝祷蛘唠娙萜鲊乐胤烹姡敲聪掠?a target="_blank">電子元器件就有可能被損壞。為了防止嚴重放電，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，成本也會更高。實驗室測試也已經證明，智能二極管控制器要比一個p通道MOSFET的結構快很多。圖4顯示的是對于反向極性的快速操作相應，并且如圖5所示，由于使用了一個小型4.7uF輸出電容器，它能夠滿足ISO7637脈沖1的要求。

圖4：LM74610-Q1對于反向電壓的響應時間。

圖5：智能二極管控制器解決方案—采用4.7uF輸出電容器時的ISO脈沖1。

圖6：針對智能二極管實現方式的小外形尺寸 (8mm x 12mm)。

LM74610-Q1智能二極管控制器和一個n通道MOSFET組合在一起，形成了一個高效的汽車和工業(yè)前端反向極性結構，并且能夠從低電流擴展至非常高的電流。圖6顯示的是可以實現的，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%。

其它資源：

• 在你的下一個設計中考慮使用LM74610-Q1智能二極管控制器。
• 使用LM74610-Q1SPICE模型來分析你的智能二極管控制器設計。
• 下載一個參考設計，并且加快產品的上市時間：

• • 針對具有所需汽車保護功能的30W ADAS系統的系統級參考設計
  • 針對具有所需汽車保護功能的20W ADAS系統的系統級參考設計
  • 針對基于低功耗TDA3x的系統的汽車電源參考設計
  • 完整的前端汽車類反向極性和串聯故障保護參考設計