設(shè)計低靜態(tài)電流汽車電池反向保護(hù)系統(tǒng)的3種方法

車輛中電子電路數(shù)量不斷增加，使得需要消耗的電池電量也隨之大幅增長。為了支持遙控免鑰進(jìn)入和安全等功能，即使在汽車停車或熄火時，電池也要持續(xù)供電。

由于所有車輛都使用有限的電池供電，因此必須找到一種方法，一方面能增加更多功能（尤其是在設(shè)計汽車前端電源系統(tǒng)時），同時又不會顯著增加耗電量。是否需要符合嚴(yán)格的電磁兼容性 (EMC) 標(biāo)準(zhǔn)（例如，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的 ISO7637 和德國汽車制造商制定的LV 124標(biāo)準(zhǔn)），直接影響前端電池反向保護(hù)系統(tǒng)的整體設(shè)計。一些原始設(shè)備制造商將車輛處于停車狀態(tài)時的總電流消耗規(guī)定為：在 12V 電池供電系統(tǒng)中每個電子控制單元 (ECU) 低于100μA，在 24V 電池供電系統(tǒng)中低于500μA。

在本文中，我將介紹設(shè)計低靜態(tài)電流 (IQ) 汽車電池反向保護(hù)系統(tǒng)的三種方法。

使用 T15 作為點(diǎn)火或喚醒信號

設(shè)計低 IQ 電池反向保護(hù)系統(tǒng)的第一種方法是使用T15 作為點(diǎn)火或喚醒信號。T15 是一個接線端子，當(dāng)車輛點(diǎn)火開關(guān)關(guān)閉時，它會與電池斷開連接。使用 T15 作為外部喚醒信號是一種在睡眠或活動模式下運(yùn)行 ECU 的傳統(tǒng)方法。圖 1 為一個示例。

圖 1：使用 T15 作為喚醒信號的汽車 ECU 中的電池反向保護(hù)

當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)打開時，T15 會連接到電池電壓 (VBATT) 電位，從而使理想二極管的使能引腳處于邏輯高電平。處于有源模式下的理想二極管控制器，在啟用電荷泵、控制和場效應(yīng)晶體管 (FET) 驅(qū)動器電路的同時，主動控制外部 FET 以實(shí)現(xiàn)理想二極管運(yùn)行。當(dāng)車輛停車時，T15 降至 0V，理想二極管控制器利用關(guān)斷狀態(tài)做出響應(yīng)，這會導(dǎo)致電荷泵和控制塊關(guān)閉，從而使 IQ 消耗低于3μA。在這種工作模式下，外部 FET 關(guān)閉，F(xiàn)ET 的體二極管形成正向傳導(dǎo)路徑，為負(fù)載供電。該方案需要額外向 ECU 接線。

使用系統(tǒng)的 MCU 和 CAN 喚醒信號

第二種方法是使用系統(tǒng)的微控制器 (MCU) 和控制器局域網(wǎng) (CAN) 喚醒。在很多情況下，系統(tǒng)的通信通道使低 IQ 關(guān)斷模式成為可能。圖 2 為使用這種方法的示例系統(tǒng)設(shè)計。

圖 2：使用 MCU 和 CAN 喚醒信號實(shí)現(xiàn)使能控制的低 IQ 電池反向保護(hù)

車輛中的 CAN 收發(fā)器將消息從通信總線轉(zhuǎn)換到各自的控制器（通常是 MCU）。收發(fā)器可以通過發(fā)出進(jìn)入待機(jī)模式直到被喚醒的命令，來指示何時不需要相關(guān)功能。此時中繼消息指示控制器會傳遞將系統(tǒng)置于低功耗狀態(tài)的指令，其實(shí)現(xiàn)方式是使理想二極管控制器的使能信號處于邏輯低電平。借助更先進(jìn)的收發(fā)器和系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片，一個器件可以處理此過程的多種功能，并過渡到低功耗狀態(tài)或進(jìn)行喚醒。

該方案需要來自 MCU 的內(nèi)部控制信號（通過 CAN 控制）。

使用常開理想二極管控制器

第三種方法是使用常開理想二極管控制器。大家可以想象一下這個不需要控制信號即可進(jìn)入低功耗狀態(tài)的系統(tǒng)設(shè)計。在這種設(shè)計中，無需額外進(jìn)行接線也無需依賴系統(tǒng)軟件，即可使理想二極管控制器始終處于啟用狀態(tài)，即使在睡眠模式下也是如此。這種類型的系統(tǒng)設(shè)計可以使用低 IQ 理想二極管控制器來實(shí)現(xiàn)，例如 LM74720-Q1、LM74721-Q1 或 LM74722-Q1，如圖 3 所示。這些器件集成了所有必要的控制塊，用于符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)的電池反向保護(hù)設(shè)計，并集成了用于驅(qū)動高側(cè)外部 MOSFET 的升壓穩(wěn)壓器，從而使正常運(yùn)行期間的 IQ 為27μA。如需了解更多信息，請參閱應(yīng)用手冊“理想二極管基礎(chǔ)知識”。

圖 3：使用不帶外部使能控制的常開低 IQ 理想二極管控制器實(shí)現(xiàn)電池反向保護(hù)

這些理想二極管控制器支持具有有源整流的電池反向保護(hù)，以及采用背對背 FET 拓?fù)涞呢?fù)載斷開 FET 控制，以在系統(tǒng)故障（例如過壓事件）期間保護(hù)下游，如圖 4 所示。

圖 4：使用 LM74720-Q1 的 24V 汽車 ECU 中的電池反向保護(hù)

借助可調(diào)節(jié)過壓保護(hù)功能，您可以使用 50V 額定下游濾波電容器（而非 80V 至 100V 額定電容器）和 40V 額定直流/直流轉(zhuǎn)換器（而非 65V 額定轉(zhuǎn)換器）進(jìn)行基于 24V 汽車電池輸入的系統(tǒng)設(shè)計。

LM74720-Q1 和 LM74721-Q1 提供0.45μs反向電流的快速響應(yīng)比較器和1.9μs正向電流的快速響應(yīng)比較器，以及強(qiáng)大的 30mA 升壓穩(wěn)壓器，以在高達(dá) 100kHz 頻率的汽車交流疊加測試中支持和實(shí)現(xiàn)靈活而高效的有源整流。LM74722-Q1 的整流速度比 LM74720-Q1 和 LM74721-Q1 器件快兩倍，正向比較器響應(yīng)電流為 0.8μs，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 200KHz 的有源整流頻率。LM74721-Q1 具有集成漏源電壓 (VDS) 鉗位，可實(shí)現(xiàn)無瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 的電池反向保護(hù)設(shè)計，從而使系統(tǒng)解決方案更加緊湊。

結(jié)語

借助 LM74720-Q1、LM74721-Q1 和 LM74722-Q1 低 IQ 常開理想二極管控制器，您能夠設(shè)計汽車電池反向保護(hù)系統(tǒng)，而無需外部使能控制。這些理想二極管控制器具有低 IQ、背對背 FET 驅(qū)動能力和過壓保護(hù)特性，因此在設(shè)計中可以使用具有較低額定電壓的電容器等下游組件，并且可以為空間受限的 ECU 減小印刷電路板的尺寸。

審核編輯：郭婷