可用于電池反向保護(hù)的各種方法

在車輛的使用壽命期間，可能需要斷開其電池進(jìn)行維護(hù)工作或在出現(xiàn)故障時(shí)更換電池。在重新連接期間，可能會(huì)顛倒電池連接的極性，這可能會(huì)導(dǎo)致潛在的短路和連接到電池的負(fù)載出現(xiàn)其他問題。不幸的是，不同尺寸的電池端子的機(jī)械設(shè)計(jì)或使用突出的電纜、連接器和端子顏色編碼并不能完全避免這個(gè)問題。因此，某種形式的電子阻斷或反極性電壓保護(hù)是必要的，不僅是為了保護(hù)電池本身，也是為了保護(hù)現(xiàn)代車輛所依賴的越來(lái)越多的電子控制單元 （ECU）。

本文研究了可用于電池反向保護(hù)的各種方法，并分析了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。特別是超級(jí)勢(shì)壘整流器 （SBR ? ），它解決了各種基于 MOSFET 的解決方案的缺點(diǎn)，甚至在效率和耐用性方面優(yōu)于簡(jiǎn)單的肖特基二極管。

潛在保護(hù)電路：

保護(hù) ECU 的流行方法包括使用阻塞二極管，或者為了避免常規(guī)整流二極管的低效率，使用 MOSFET 作為理想二極管。其他解決方案可能會(huì)使用專門設(shè)計(jì)的 IC。最終，所選擇的解決方案必須滿足最終應(yīng)用特定環(huán)境所需的性能，同時(shí)考慮組件數(shù)量/復(fù)雜性、成本、能源效率等因素，并且可能最重要的是，它是否能夠充分承受故障條件和任何相關(guān)的瞬態(tài)。 后者通常使用 ISO7637-2 定義的脈沖進(jìn)行評(píng)估，該脈沖測(cè)試安裝在車輛中的設(shè)備對(duì)傳導(dǎo)電瞬變的兼容性，如下所述。

阻塞二極管是防止電池反向連接的最簡(jiǎn)單方法。插入與 ECU 負(fù)載串聯(lián)的整流二極管可確保電流僅在電池正確連接時(shí)才能流動(dòng)。由于不需要控制信號(hào)，因此電路復(fù)雜性和組件數(shù)都很低。另一方面，由于二極管的正向電壓 VF，在 ECU 通電期間，二極管一直在消耗能量，這可能會(huì)在大功率應(yīng)用中造成重大損失。

使用肖特基二極管等低 VF 器件代替標(biāo)準(zhǔn)整流器可以減輕與標(biāo)準(zhǔn)整流器相關(guān)的損耗。然而，肖特基二極管的反向泄漏特性特別依賴于溫度，如果在高溫條件下施加高反向功率，則會(huì)導(dǎo)致能量損失增加，并使器件容易發(fā)生熱失控。

在 ECU 的高端電源中插入一個(gè) MOSFET 并連接?xùn)艠O，以便僅在電池極性正確時(shí)打開設(shè)備，這是一種替代解決方案。由于 MOSFET 導(dǎo)通電阻 （RDS（ON）） 通常只有幾毫歐，因此與二極管 VF 引起的損耗相比，I2R 功率損耗較低。此外，反向阻斷性能比肖特基二極管更強(qiáng)大?？梢允褂?N 溝道或 P 溝道 MOSFET，前提是器件的漏源體二極管的方向可以將電流以正確的方向傳導(dǎo)到 ECU 中。

N 溝道或 P 溝道 MOSFET 均可用于高端電池反向保護(hù)。N 通道器件憑借其低 RDS（ON） 提供最低功耗拓?fù)?。然而，開啟 MOSFET 需要一個(gè)大于電池電壓的柵極電壓。這需要如圖 1 所示的電荷泵，這會(huì)增加電路復(fù)雜性和組件成本，并且還會(huì)帶來(lái) EMI 挑戰(zhàn)。同等尺寸的 P 溝道 MOSFET 將具有更高的 RDS（ON） 并因此具有更高的功率損耗，但可以使用包含齊納二極管和電阻器的更簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

雖然在低側(cè)電路中插入 N 溝道 MOSFET 可以消除對(duì)電荷泵的需求，但也會(huì)引入敏感汽車系統(tǒng)無(wú)法接受的接地偏移。

圖 1a。提供 MOSFET 柵極電壓所需的電荷泵增加了復(fù)雜性，并可能引入 EMI 問題。

圖 1b：用于電池反向保護(hù)裝置的 P 溝道 MOSFET 需要更少的組件，但會(huì)產(chǎn)生更高的功率損耗

超級(jí)勢(shì)壘整流器是 Diodes Incorporated 的專有整流器技術(shù)，將傳統(tǒng)二極管的簡(jiǎn)單性和穩(wěn)健性與肖特基二極管的低正向電壓相結(jié)合，為應(yīng)對(duì)電池反向保護(hù)挑戰(zhàn)提供了卓越的性能解決方案。圖 2 顯示了如何將 SBR 插入到 ECU 的高端電源中，其方式與傳統(tǒng)二極管大致相同。

圖 2. SBR 的連接方式與二極管或 MOSFET 相同，無(wú)需電荷泵電路。

超級(jí)勢(shì)壘整流器使用 MOS 通道為多數(shù)載流子創(chuàng)建低勢(shì)壘。與典型的肖特基器件不同，這導(dǎo)致了低 VF 和高可靠性的結(jié)合。同時(shí)，SBR 具有較低的反向泄漏，即使在高溫下也保持穩(wěn)定，從而最大限度地減少能量損失并避免與肖特基二極管相關(guān)的熱失控風(fēng)險(xiǎn)。此外，沒有肖特基結(jié)也確保了更高的浪涌容限。此外，SBR 避免了 N 溝道 MOSFET 所需的電荷泵，這意味著沒有 EMI 問題。

盡管設(shè)計(jì)用于防止由于電池反向連接引起的電流流動(dòng)，但保護(hù)裝置本身可能會(huì)暴露于潛在的破壞性瞬變。雖然多種類型的開關(guān)瞬變可以產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間短的脈沖，但最危險(xiǎn)的高能脈沖是。

ISO 脈沖測(cè)試：

任何旨在保護(hù)車輛電池免受反向連接影響的解決方案還需要足夠強(qiáng)大，以承受開關(guān)瞬變，例如由為電感負(fù)載供電時(shí)突然斷開電源或負(fù)載突降等事件引起的高能脈沖，即當(dāng)電池在從交流發(fā)電機(jī)充電時(shí)斷開時(shí)。

當(dāng)應(yīng)用于提供反向電池保護(hù)的電路時(shí)，使用 ISO7637-2 定義的脈沖進(jìn)行測(cè)試以滿足這些條件中最苛刻的條件：

脈沖 1 表示在為電感負(fù)載供電時(shí)電源斷開的情況，其中整流器受到高負(fù)電壓脈沖的影響。ISO 定義的脈沖條件如圖 3 所示。

圖 3. ISO 測(cè)試脈沖 1 模擬由電源斷開引起的嚴(yán)重負(fù)脈沖。

除此脈沖外，脈沖 3a 還使器件承受高負(fù)電壓，但此脈沖的持續(xù)時(shí)間非常短（0.1μs），此脈沖代表開關(guān)瞬態(tài)。

這些負(fù)瞬態(tài)電壓使保護(hù)裝置暫時(shí)處于雪崩狀態(tài)。雪崩條件及其對(duì)半導(dǎo)體結(jié)的影響的詳細(xì)描述超出了本文的范圍。然而，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)一個(gè)PN結(jié)受到雪崩條件時(shí)，該結(jié)被擊穿并允許大量的反向電流流過(guò)它。如果設(shè)備不能處理所涉及的電流和能量，雪崩可能會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。在汽車電池反向保護(hù)應(yīng)用中，這些雪崩條件的發(fā)生是由于存儲(chǔ)在感應(yīng)負(fù)載（如繼電器）中的磁能和任何寄生電感，使其成為能量受限事件。因此，如果該設(shè)備具有足夠的雪崩等級(jí)，則它可以在這些情況下生存。

必須選擇具有明確定義和保證雪崩規(guī)格的保護(hù)器件，例如反向保護(hù) SBR，其特性如圖 4 所示。根據(jù)圖 3 中給出的脈沖波形和條件，脈沖中涉及的峰值雪崩功率1個(gè)測(cè)試可以計(jì)算為：

P avalanche_peak = V avalanche * I avalanche_peak

在哪里：

V雪崩= US = 100V

和：

I avalanche_peak = V雪崩/R i = 100V/10Ω = 10A

因此：

P avalanche_peak = 100V * 10A = 1000W

然而，與脈沖 1 產(chǎn)生的能量有關(guān)的數(shù)字是脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)的平均功率，由下式給出：

P avalanche_average = 0.5 * V avalanche * I avalanche_peak = 0.5 * 100V * 10A = 500W

因此，由于 ISO7637-2 中規(guī)定的 Pulse 1 寬度為 2ms，從圖 4 可以看出，該 SBR 器件的雪崩性能超過(guò)了 ISO7637-2 的要求。由于另一個(gè)負(fù)脈沖脈沖 3A 是持續(xù)時(shí)間僅為 100ns 的瞬態(tài)，因此符合脈沖 1 的設(shè)備也將通過(guò)脈沖 3A 測(cè)試。

圖 4：脈沖持續(xù)時(shí)間與最大雪崩功率（對(duì)于 Diodes SBR30A60CTBQ設(shè)備）

圖 5 比較了 10A 45V SBR 與兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)性肖特基二極管的雪崩能力?？梢钥闯?，SBR 的雪崩能力比肖特基技術(shù)好 3 到 10 倍。因此，SBR 更適合發(fā)生反向雪崩條件的反向電池應(yīng)用。通過(guò)精心設(shè)計(jì)，MOSFET 解決方案也可以實(shí)現(xiàn)類似于 SBR 的雪崩耐用性。

圖 5. 與肖特基二極管相比，SBR 出色的雪崩耐用性允許使用額定值較低的器件來(lái)提高效率。

脈沖 5a 表示當(dāng)交流發(fā)電機(jī)正在充電時(shí)放電電池?cái)嚅_時(shí)發(fā)生的負(fù)載突降情況。這是設(shè)備可以看到的最嚴(yán)重的正脈沖。ISO7637 Pulse 5a 定義如圖 6 所示。

圖 6. 了解器件的浪涌電流能力有助于確定 ISO 7637 脈沖 5a 的生存能力。

對(duì) Pulse 5a 的考慮得出的結(jié)論是，在選擇反向電池阻斷設(shè)備時(shí)，有關(guān)設(shè)備正向浪涌電流能力的信息是必不可少的。Diodes Incorporated 的 ACQ101 合格 SBR 的數(shù)據(jù)表包含此信息。

結(jié)論：

在為汽車 ECU 實(shí)施所需的電池反極性保護(hù)時(shí)，有多種方法是可行的。設(shè)計(jì)人員需要考慮 ECU 功耗和成本等因素，以實(shí)現(xiàn)效率、電路復(fù)雜性、電磁兼容性和耐用性的最佳組合。超級(jí)勢(shì)壘整流器專為汽車等大功率、高溫應(yīng)用而開發(fā)，為肖特基二極管提供了價(jià)格具有競(jìng)爭(zhēng)力的替代方案，并且可以在低成本、低復(fù)雜性和不受 EMI 影響的情況下提供更高的效率和可靠性問題，是優(yōu)先事項(xiàng)。