汽車電源系統(tǒng)常常在極為惡劣的環(huán)境下運行，數(shù)以百計的負載連接在汽車電池上，要同時確定負載狀態(tài)的汽車電池面臨著極大的挑戰(zhàn)。當負載處于不同工作條件和潛在故障狀態(tài)時，設計人員需要充分考慮電源線產(chǎn)生的各種脈沖可能帶來的影響。

脈沖干擾

圖 1 展示了不同應用場景下電源線上可能出現(xiàn)的各種脈沖類型。例如，當大功率負載突然關閉時，電池電壓可能產(chǎn)生過沖；當大功率負載突然啟動時，電池電壓將會跌落；當感應線束突然松動時，負載上將產(chǎn)生負電壓脈沖；發(fā)電機運行時，交流紋波會疊加在電池上；還有在使用跳線時，備用電池可能使用錯誤，從而導致極性反接，此時電池電壓極性會出現(xiàn)長時間反接的情況。

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)制定了相關的測試標準來模擬電源線的瞬態(tài)脈沖。這些標準包括 ISO 7637 - 2 和 ISO 16750 - 2，以及梅賽德斯 - 奔馳和大眾汽車的測試標準。防反保護電路作為最前端的電路，也必須滿足這些行業(yè)測試標準。

防反保護電路

防反保護電路主要包括三種基本類型：串聯(lián)肖特基二極管、在高邊串聯(lián) PMOS、在低邊串聯(lián) NMOS。

串聯(lián)肖特基二極管

這種電路通常適用于 2A 至 3A 之間的小電流應用，其優(yōu)點是電路簡單且成本低，但缺點是功耗較大。在小電流應用中，由于其簡單的結構和較低的成本，串聯(lián)肖特基二極管的防反保護電路具有一定的優(yōu)勢。然而，隨著電流的增大，其功耗問題會變得更加突出，因此不太適合大電流應用。

在高邊串聯(lián) PMOS

對于電流超過 3A 的應用，可以將 PMOS 放置在高邊。這種驅(qū)動電路相對簡單，但 PMOS 的成本較高。當電源正接時，PMOS 溝道導通，管壓降小，損耗和溫升低；當電源反接時，PMOS 溝道關斷，寄生體二極管實現(xiàn)防反保護功能。在大電流應用中，高邊串聯(lián) PMOS 的防反保護電路能夠提供較好的性能，但較高的成本是其需要考慮的因素之一。

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構意味著電源地和負載地是分開的，這種結構在汽車電子產(chǎn)品設計中很少使用。在某些特定的應用場景中，低邊串聯(lián) NMOS 的防反保護電路可能具有一定的優(yōu)勢，但由于其電源地和負載地分開的結構特點，限制了其在汽車電子產(chǎn)品設計中的廣泛應用。

傳統(tǒng) PMOS 防反保護電路的缺點

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 的體二極管流向負載端。如果正向電壓超過 PMOS 的電壓閾值，則通道導通，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 防反保護電路存在兩個缺點：系統(tǒng)待機電流大以及存在反灌電流。

系統(tǒng)待機電流較大

當 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通，鉗位性能會明顯降低，從而導致 VGS 出現(xiàn)過壓風險；另一方面，限流電阻太大意味著 PMOS 驅(qū)動電流較小，這會導致較慢的開 / 關過程。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 未完全導通），由此產(chǎn)生的高電阻會導致器件過熱。

存在反灌電流

在進行 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，將導致電流回流，這會迫使電解電容反復充電和放電，最終導致過熱。

NMOS 防反保護電路及驅(qū)動 IC

設計具有 NMOS 和驅(qū)動 IC 的防反保護電路時，NMOS 需放置在高邊，驅(qū)動 IC 也從高邊取電，這里將產(chǎn)生一個大于輸入電壓 (VIN) 的內(nèi)部電壓，給 NMOS 提供 (VGS) 驅(qū)動供電。根據(jù)驅(qū)動電源產(chǎn)生的原理，驅(qū)動 IC 可以采用電荷泵方案或升降壓 (Buck - Boost) 方案。

電荷泵防反保護方案

電荷泵方案具有較低的總體 BOM 需求，從而可降低成本。該方案非常適合小電流應用，例如汽車 USB 供電設備 (PD) 大功率充電模塊。在小電流應用中，電荷泵方案的低成本優(yōu)勢使其具有一定的競爭力。然而，其驅(qū)動電流能力相對較弱，在一些對驅(qū)動電流要求較高的應用中可能不太適用。

升降壓防反保護方案

升降壓方案提供強大的驅(qū)動能力和出色的 EMC 性能。該方案非常適合大電流和高性能環(huán)境，例如汽車域控制器和音響系統(tǒng)。升降壓拓撲可以提供更大的驅(qū)動電流能力和更快的輸入干擾響應能力。在輸入疊加 100kHz，峰峰值 2V 條件下進行實測，測量結果顯示，驅(qū)動 IC 實時監(jiān)測了 NMOS 的漏極與源極。如果 VS 低于 VD，則 VIN 低于系統(tǒng)電壓，MOSFET 驅(qū)動關斷，體二極管提供防反保護功能防止電容電流回流；如果 VS 超過 VD，則 VIN 超過系統(tǒng)電壓，MOSFET 驅(qū)動導通，可避免體二極管導通影響效率。

此外，在防反保護驅(qū)動 IC 中采用升降壓驅(qū)動 IC 還可以提高 EMC 性能。電荷泵雖然沒有電感，但它是一種容性開關電源，由于效率低需要極高的工作頻率，通常情況下，集成電容小（在 pF 范圍內(nèi)）而外部電容大（在 μF 范圍內(nèi)），因此，電荷泵的開關頻率 (fSW) 常超過 10MHz，這種高頻率將導致 EMI 問題。而升降壓拓撲通過采用固定峰值電流控制，較小負載對應較低的 fSW，可提升 EMC 性能。

MPQ5850 - AEC1 簡介

MPQ5850 - AEC1 是一款智能二極管控制芯片，它可以替代肖特基二極管，驅(qū)動外部 NMOS 實現(xiàn)反向輸入保護。該器件采用 TSOT23 - 8 封裝，非常適合汽車冷啟動條件。通過對電荷泵拓撲與采用升降壓拓撲的 MPQ5850 - AEC1 進行 EMC 性能比較，左邊的電荷泵拓撲可能會存在潛在的 EMC 問題，而右邊的 MPQ5850 - AEC1 方案能完美通過國標等級 5 測試。