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防反保護電路的設計(上篇)

發(fā)布時間:2022-10-26 來源:MPS 責任編輯:wenwei

【導讀】汽車電源系統(tǒng)常在極為惡劣的環(huán)境下運行,數(shù)以百計的負載掛在汽車電池上,需要同時確定負載狀態(tài)的汽車電池可能面臨極大的挑戰(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)的防反保護電路設計。


脈沖干擾


圖 1 顯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,電池電壓可能產(chǎn)生過沖;當大功率負載突然啟動,電池電壓將會跌落。當感應線束突然松動,負載上將產(chǎn)生負電壓脈沖。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,從而導致極性反接,此時電池電壓極性長時間反接。 


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圖1: 不同應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,也必須滿足行業(yè)測試標準。


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)意味著電源地和負載地是分開的,這種結(jié)構(gòu)在汽車電子產(chǎn)品設計中很少使用。


圖 2 對這幾種防反保護電路進行了總結(jié)。 


3.jpg

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。下面將對此進行詳述。


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。


圖 3 顯示了傳統(tǒng) PMOS 防反保護電路中的待機電流。 


4.jpg

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。


圖 4 顯示了輸入電壓的跌落測試。 


5.jpg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 設計防反保護電路的優(yōu)勢。


來源:MPS



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