【導(dǎo)讀】汽車電源系統(tǒng)常在極為惡劣的環(huán)境下運行，數(shù)以百計的負(fù)載掛在汽車電池上，需要同時確定負(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，設(shè)計人員需要考慮電源線產(chǎn)生的各種脈沖可能帶來的影響。
本系列的上、下兩篇文章將探討如何設(shè)計防反保護電路。本文為上篇，我們將介紹汽車電源線上的各種脈沖干擾，然后討論防反保護電路的常見類型，并重點關(guān)注 PMOS電路； 下篇 將討論使用 NMOS和驅(qū)動器 IC 實現(xiàn)的防反保護電路設(shè)計。
脈沖干擾
圖 1 顯示了不同應(yīng)用場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，電池電壓將會跌落。當(dāng)感應(yīng)線束突然松動，負(fù)載上將產(chǎn)生負(fù)電壓脈沖。而發(fā)電機運行時，交流紋波會疊加在電池上。還有使用跳線時，備用電池可能使用錯誤，從而導(dǎo)致極性反接，此時電池電壓極性長時間反接。
圖1: 不同應(yīng)用場景下的脈沖類型
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)會和主要汽車制造商已經(jīng)制定了相關(guān)的測試標(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試標(biāo)準(zhǔn)。防反保護電路作為最前端的電路，也必須滿足行業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)。
防反保護電路
防反保護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
對于電流超過 3A 的應(yīng)用，可以將PMOS放置在高邊。這種驅(qū)動電路相對簡單，但缺點是PMOS成本較高。
當(dāng)電源正接時，PMOS溝道導(dǎo)通，管壓降小，損耗和溫升低。 當(dāng)電源反接時，PMOS溝道關(guān)斷，寄生體二極管實現(xiàn)防反保護功能。
在低邊串聯(lián)NMOS
這種電路需要在低邊放置一個 NMOS。簡化的柵極驅(qū)動電路通常會采用高性價比的 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)計中很少使用。
圖 2 對這幾種防反保護電路進(jìn)行了總結(jié)。
圖 2：防反保護電路的類型
本文將重點介紹PMOS防反保護電路。
PMOS
大多數(shù)傳統(tǒng)的防反保護電路均采用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連接一個電壓調(diào)節(jié)器，以防止柵源電壓 (VGS) 出現(xiàn)過壓情況，同時還可以保護 PMOS在輸入功率波動時不會被擊穿。
但基本的 PMOS 防反保護電路也有兩個缺點：系統(tǒng)待機電流大和存在反灌電流。下面將對此進(jìn)行詳述。
系統(tǒng)待機電流較大
當(dāng)PMOS用于防反保護電路時， VGS 和保護電路（由齊納二極管和限流電阻組成）周圍會存在漏電流。因此，限流電阻 (R) 會對整體待機功耗產(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，如果限流電阻過大，齊納二極管不能可靠導(dǎo)通，鉗位性能會明顯降低，從而導(dǎo)致 VGS 出現(xiàn)過壓風(fēng)險。另一方面，限流電阻太大意味著PMOS 驅(qū)動電流較小，這會導(dǎo)致較慢的開/關(guān)過程。如果輸入電壓(VIN) 發(fā)生波動，PMOS可能會長時間工作在線性區(qū)域（在該區(qū)域的 MOSFET 未完全導(dǎo)通），由此產(chǎn)生的高電阻會導(dǎo)致器件過熱。
圖 3 顯示了傳統(tǒng) PMOS 防反保護電路中的待機電流。
圖 3：傳統(tǒng) PMOS 防反保護電路中的待機電流
存在反灌電流
在進(jìn)行 ISO 16750 輸入電壓跌落測試時，PMOS 在 VIN 跌降時保持開路。在這種情況下，系統(tǒng)電容電壓會使電源極性反轉(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試中，由于 PMOS 完全開路，將導(dǎo)致電流回流。這會迫使電解電容反復(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試。
圖 4：輸入電壓跌落測試
結(jié)語
本文回顧了傳統(tǒng) PMOS 防反保護電路及其主要缺點，包括大的系統(tǒng)待機電流和反灌電流。 本系列的 下篇 將討論采用 NMOS 和升降壓驅(qū)動 IC 設(shè)計防反保護電路的優(yōu)勢。
來源：MPS
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