在汽車(chē)電子硬件電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源入口處的防反接電路設(shè)計(jì)至關(guān)重要。以下將詳細(xì)探討為何要設(shè)計(jì)防反接電路以及具體的設(shè)計(jì)方式。

一、設(shè)計(jì)防反接電路的原因

電源入口處的接線和線束制作通常由人工操作，這就存在正負(fù)極接反的可能性。一旦正負(fù)極接反，極有可能損壞電源和負(fù)載電路。此外，汽車(chē)電子產(chǎn)品電性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn) ISO16750 - 2 的 4.7 節(jié)明確包含了電壓極性反接測(cè)試，汽車(chē)電子產(chǎn)品必須通過(guò)該項(xiàng)測(cè)試，這也使得防反接電路的設(shè)計(jì)成為必要。

二、防反接電路設(shè)計(jì)

1. 基礎(chǔ)版：二極管
   串聯(lián)二極管是實(shí)現(xiàn)防反接的最簡(jiǎn)單電路形式。由于電源有電源路徑（正極）和返回路徑（負(fù)極，GND），所以二極管既可以串接在電源正極，也可以串接在電源負(fù)極，如圖所示：
   
   這種設(shè)計(jì)成本較低，但存在明顯的局限性和缺點(diǎn)。二極管存在正向?qū)▔航?，若串?lián)在電源路徑上，負(fù)載電路入口處的電壓會(huì)低于電源輸出電壓；若串聯(lián)在返回路徑上，負(fù)載電路的 GND 與電源的 GND 會(huì)存在壓差。而且，二極管的通流能力有限，無(wú)法滿(mǎn)足大電流負(fù)載電路的需求，同時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，存在過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)使用二極管無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求時(shí)，可考慮其他方式。
2. 基礎(chǔ)版 plus：MOSFET
   MOSFET 具有導(dǎo)通壓降小、導(dǎo)通阻抗低的優(yōu)點(diǎn)，能解決二極管防反電路的部分缺點(diǎn)。和二極管一樣，MOSFET 也有電源路徑和返回路徑兩種設(shè)計(jì)方式，如下圖：
   
   由于 MOSFET 自身特性，在電源路徑上只能使用 PMOS，返回路徑只能使用 NMOS。與二極管相比，它們具有更小的導(dǎo)通壓降、更低的溫升和更大的通流能力（大部分情況）。然而，PMOS 和 NMOS 也各自存在缺點(diǎn)。同樣尺寸的 PMOS 與 NMOS 相比，PMOS 的 Rdson 更大，在相同性能要求下，PMOS 會(huì)比 NMOS 更貴，特別是在大電流電路中，可能需要多個(gè) MOSFET 并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)更大通流，成本差異會(huì)更明顯。NMOS 防反接電路只能放在返回路徑上，雖然導(dǎo)通壓降比二極管小很多，但仍存在，導(dǎo)致地平面電壓并非處處相等。
3. 進(jìn)階版：NMOS + FET controller
   FET controller 有多種選擇，除了防反接功能外，還有其他功能。以 TI 的 LM5050 - 1 - Q1 芯片為例，其經(jīng)典應(yīng)用電路如下：
   
   其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：
   
   電源上電時(shí)，電壓通過(guò) NMOS 的體二極管流向芯片的 OUT 及 VS 引腳。VS 引腳內(nèi)部是電荷泵，當(dāng)輸入電壓及其他條件（如 enable 等）滿(mǎn)足時(shí)，芯片會(huì)通過(guò)電荷泵給其 GATE 引腳（即外部 NMOS 的柵極）充電，增加 NMOS 柵極和源極之間的壓差，當(dāng)壓差增大到一定程度，NMOS 打開(kāi)，電源通過(guò) NMOS 的 Rds 流向負(fù)載，而非體二極管，從而降低了電源路徑上的壓降。至此，一個(gè)壓降小、成本低、通流能力強(qiáng)的基礎(chǔ)防反接電路就完成了。

除了電荷泵驅(qū)動(dòng)方式，還有升壓調(diào)節(jié)器（boost regulator）方式，如 LM74722 - Q1，其經(jīng)典應(yīng)用電路及框圖如下：


電荷泵和升壓調(diào)節(jié)器這兩種驅(qū)動(dòng)方式相比，升壓調(diào)節(jié)器成本更高，但具有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和更好的電磁兼容性（EMC）性能。

三、其他功能

1. ENABLE/OFF：這是一個(gè)基礎(chǔ)功能，用于控制 FET controller 是否工作。
2. switch function：部分 FET controller 可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。例如，在 MOSFET 未打開(kāi)時(shí)，防止電流流向負(fù)載。可通過(guò)放置一個(gè)與當(dāng)前 NMOS 背對(duì)背的 NMOS 來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下圖：
   
   紅框中的 NMOS 的體二極管與右側(cè) NMOS 相反，可阻止電流直接從電源流向負(fù)載。
3. UV/OV protection：通過(guò)在內(nèi)部增加比較器即可實(shí)現(xiàn)，如 LM74502 - Q1 就具備此功能。
4. reverse current block：與極性反接保護(hù)情況不同，反向電流阻斷主要是在電源正負(fù)極未接反且功能正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)供電電源因某些原因（如電性能測(cè)試、ESD 測(cè)試、雷擊等）瞬間跌落，而輸出端由于電容存在仍有電壓，可能導(dǎo)致電流倒灌。常見(jiàn)的處理方式是使用比較器，如 LM74700，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：
   
   
   
   
5. 輸入電壓和輸出電壓分別通過(guò) ANODE 和 CATHODE 引腳進(jìn)入芯片，經(jīng)過(guò)一個(gè) - 11mV 的比較器。若檢測(cè)到輸入電壓比輸出電壓低 11mV 以上，芯片會(huì)迅速關(guān)掉外部 NMOS（響應(yīng)速度一般不超過(guò) 1μs），反向電流會(huì)被 NMOS 上的體二極管阻斷。