PMOS防反保护电路设计介绍

概述

汽车电源系统常在极为恶劣的环境下运行，数以百计的负载挂在汽车电池上，需要同时确定负载状态的汽车电池可能面临极大的挑战。当负载处于不同工作条件和潜在故障状态时，设计人员需要考虑电源线产生的各种脉冲可能带来的影响。

脉冲干扰

图 1 显示了不同应用场景下电源线上可能出现的各种脉冲类型。例如，当大功率负载突然关闭，电池电压可能产生过冲；当大功率负载突然启动，电池电压将会跌落。当感应线束突然松动，负载上将产生负电压脉冲。而发电机运行时，交流纹波会叠加在电池上。还有使用跳线时，备用电池可能使用错误，从而导致极性反接，此时电池电压极性长时间反接。

图1: 不同应用场景下的脉冲类型

为解决汽车电源线上可能存在的各种脉冲干扰，行业协会和主要汽车制造商已经制定了相关的测试标准来interwetten与威廉的赔率体系 电源线的瞬态脉冲。这些标准包括 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2，以及梅赛德斯-奔驰和大众汽车的测试标准。防反保护电路作为最前端的电路，也必须满足行业测试标准。

防反保护电路

防反保护电路包括三种基本类型，如下所述。

串联肖特基二极管

这种电路通常用于 2A 至 3A 之间的小电流应用，其电路简单且成本低，但功耗较大。

在高边串联PMOS

对于电流超过 3A 的应用，可以将PMOS放置在高边。这种驱动电路相对简单，但缺点是PMOS成本较高。

当电源正接时，PMOS沟道导通，管压降小，损耗和温升低。

当电源反接时，PMOS沟道关断，寄生体二极管实现防反保护功能。

在低边串联NMOS

这种电路需要在低边放置一个 NMOS。简化的栅极驱动电路通常会采用高性价比的 NMOS。该电路的功能类似于放置在高边的 PMOS。但是，这种防反保护结构意味着电源地和负载地是分开的，这种结构在汽车电子产品设计中很少使用。

图 2 对这几种防反保护电路进行了总结。

图 2：防反保护电路的类型

本文将重点介绍PMOS防反保护电路。

PMOS

大多数传统的防反保护电路均采用 PMOS，其栅极接电阻到地。如果输入端连接正向电压，则电流通过 PMOS 的体二极管流向负载端。如果正向电压超过 PMOS的电压阈值，则通道导通。这降低了 PMOS 的漏源电压 (VDS)，从而降低了功耗。栅极与源极之间通常会连接一个电压调节器，以防止栅源电压 (VGS) 出现过压情况，同时还可以保护 PMOS在输入功率波动时不会被击穿。

但基本的 PMOS 防反保护电路也有两个缺点：系统待机电流大和存在反灌电流。下面将对此进行详述。

系统待机电流较大

当PMOS用于防反保护电路时， VGS 和保护电路（由齐纳二极管和限流电阻组成）周围会存在漏电流。因此，限流电阻 (R) 会对整体待机功耗产生影响。

限流电阻的取值不应太大。一方面，普通稳压管的正常钳位电流基本为mA级，如果限流电阻过大，齐纳二极管不能可靠导通，钳位性能会明显降低，从而导致 VGS 出现过压风险。另一方面，限流电阻太大意味着PMOS 驱动电流较小，这会导致较慢的开/关过程。如果输入电压(VIN) 发生波动，PMOS可能会长时间工作在线性区域（在该区域的 MOSFET 未完全导通），由此产生的高电阻会导致器件过热。

图 3 显示了传统 PMOS 防反保护电路中的待机电流。

存在反灌电流

在进行 ISO 16750 输入电压跌落测试时，PMOS 在 VIN 跌降时保持开路。在这种情况下，系统电容电压会使电源极性反转，从而导致系统电源故障并触发中断功能。而在叠加交流电输入电压测试中，由于 PMOS 完全开路，将导致电流回流。这会迫使电解电容反复充电和放电，最终导致过热。

图 4 显示了输入电压的跌落测试。

图 4：输入电压跌落测试

结语

本文回顾了传统 PMOS 防反保护电路及其主要缺点，包括大的系统待机电流和反灌电流。 

NMOS

设计具有 NMOS 和驱动IC 的防反保护电路时，NMOS 需放置在高边，驱动IC也从高边取电，这里将产生一个大于输入电压 (VIN) 的内部电压，给 NMOS 提供 (VGS)驱动供电。

根据驱动电源产生的原理，驱动IC可以采用电荷泵方案或升降压（Buck-Boost）方案。具体描述如下：

电荷泵防反保护方案: 电荷泵方案具有较低的总体BOM 需求，从而可降低成本。该方案非常适合小电流应用，例如汽车 USB 供电设备 (PD) 大功率充电模块。

升降压防反保护方案: 升降压方案提供强大的驱动能力和出色的EMC 性能。该方案非常适合大电流和高性能环境，例如汽车域控制器和音响系统。

图 1 显示了电荷泵方案与升降压方案的特性。

图 1：电荷泵方案与升降压（Buck-Boost）方案

驱动IC的工作原理

图2显示了具有电荷泵拓扑的NMOS驱动简化工作原理图。

图 2：电荷泵拓扑的工作原理图

CLK周期描述如下：

S1和S2导通

C0 由内部对地电压源充电

S3和S4导通

C1 由 C0 上的电压充电

C0 是具有快速充电和放电速度的小电容，而 C1 则是具有大负载能力的大电容。因此，通过S1和S2（以及S3和S4）的频繁切换， C0 上的电荷可以不断传输给 C1，而 C1 的负端连接至电池电压 (VBATT)。最终，NMOS由一个大于 VBATT 的电压驱动。

图 3 显示了具有升降压拓扑的 NMOS 驱动简化工作原理图。

图 3：升降压拓扑的工作原理图

在升降压拓扑中，功率MOSFET放在低边。当 S_BAT 导通时， VIN 对电感充电，电感电压为负；当S_BAT关断时，电感将通过二极管释放能量，电感电压为正，并为 C1充电。当 C1 上的电压超过 VBATT 时，NMOS栅极将被驱动。

编辑：黄飞