汽車電源系統常在極為惡劣的環境下運行，數以百計的負載掛在汽車電池上，需要同時確定負載狀態的汽車電池可能面臨極大的挑戰。當負載處于不同工作條件和潛在故障狀態時，設計人員需要考慮電源線產生的各種脈沖可能帶來的影響。 將討論使用 NMOS和驅動器 IC 實現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，負載上將產生負電壓脈沖。而發電機運行時，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。

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，行業協會和主要汽車制造商已經制定了相關的測試標準來模擬電源線的瞬態脈沖。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PMOS

對于電流超過 3A 的應用，可以將PMOS放置在高邊。這種驅動電路相對簡單，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，寄生體二極管實現防反保護功能。

在低邊串聯NMOS

這種電路需要在低邊放置一個 NMOS。簡化的柵極驅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。

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

大多數傳統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節器，以防止柵源電壓 (VGS) 出現過壓情況，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：系統待機電流大和存在反灌電流。下面將對此進行詳述。

系統待機電流較大

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生影響。 限流電阻的取值不應太大。一方面，普通穩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 出現過壓風險。另一方面，限流電阻太大意味著PMOS 驅動電流較小，這會導致較慢的開/關過程。如果輸入電壓(VIN) 發生波動，PMOS可能會長時間工作在線性區域（在該區域的 MOSFET 未完全導通），由此產生的高電阻會導致器件過熱。 圖 3 顯示了傳統 PMOS 防反保護電路中的待機電流。

圖 3：傳統 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，系統電容電壓會使電源極性反轉，從而導致系統電源故障并觸發中斷功能。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。

圖 4：輸入電壓跌落測試

總結一

本文回顧了傳統 PMOS 防反保護電路及其主要缺點，包括大的系統待機電流和反灌電流。接下來 將討論采用 NMOS 和升降壓驅動 IC 設計防反保護電路的優勢。

NMOS

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

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。

升降壓防反保護方案: 升降壓方案提供強大的驅動能力和出色的EMC 性能。該方案非常適合大電流和高性能環境，例如汽車域控制器和音響系統。

圖 1 顯示了電荷泵方案與升降壓方案的特性。

圖 1：電荷泵方案與升降壓（Buck-Boost）方案

驅動IC的工作原理

圖2顯示了具有電荷泵拓撲的NMOS驅動簡化工作原理圖。

圖 2：電荷泵拓撲的工作原理圖

S1和S2導通

C0 由內部對地電壓源充電

S3和S4導通

C1 由 C0 上的電壓充電

ool/C0 是具有快速充電和放電速度的小電容，而 C1 則是具有大負載能力的大電容。因此，通過S1和S2（以及S3和S4）的頻繁切換， C0 上的電荷可以不斷傳輸給 C1，而 C1 的負端連接至電池電壓 (VBATT)。最終，NMOS由一個大于 VBATT 的電壓驅動。 圖 3 顯示了具有升降壓拓撲的 NMOS 驅動簡化工作原理圖。

圖 3：升降壓拓撲的工作原理圖 在升降壓拓撲中，功率MOSFET放在低邊。當 S_BAT 導通時， VIN 對電感充電，電感電壓為負；當S_BAT關斷時，電感將通過二極管釋放能量，電感電壓為正，并為 C1充電。當 C1 上的電壓超過 VBATT 時，NMOS柵極將被驅動。

升降壓驅動 IC 的優勢

在防反保護驅動 IC 中采用升降壓驅動 IC 有兩個明顯優勢：增強驅動電流能力并提高 EMC 性能。

驅動電流能力

升降壓拓撲可以提供更大的驅動電流能力和更快的輸入干擾響應能力。例如，輸入疊加100kHz，峰峰值2V條件下進行實測。測量結果如圖 4所示，其中包含輸入防反保護 MOSFET 的源極電壓（粉色）、通過防反保護 MOSFET 的漏極電壓（淺藍色）、MOSFET 驅動 VGS （紅色）和負載電流（綠色）。

圖 4：升降壓拓撲的測量波形（疊加交流紋波脈沖 = 100kHz，峰-峰值 = 2V） 波形顯示出，驅動IC實時監測了NMOS的漏極與源極。在測試條件下，輸入電壓 （VIN） 與源極電壓 (VS)一致，而系統電壓則與漏極電壓 (VD)一致。 如果 VS 低于 VD，則 VIN 低于系統電壓，MOSFET 驅動關斷，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 超過系統電壓，MOSFET 驅動導通，可避免體二極管導通影響效率。 如果采用電荷泵型防反驅動，由于其驅動電流能力不強，在輸入電壓快速波動時，容易產生門極驅動脈沖丟失或者常開的異常現象。 我們對電荷泵防反保護電路進行測量。測量結果如圖 5所示，其中包括防反保護 MOSFET 的輸入源極電壓（黃色）、輸出漏極電壓（紅色）、驅動 VGS（綠色）和負載電流（藍色）。

圖 5：電荷泵拓撲的測量波形 當柵極驅動脈沖丟失時，MOSFET不會被驅動。與此同時，體二極管導通將導致大量熱損耗。而且在導通時，將產生較大的充電電流尖峰。 當柵極驅動脈沖常開的時間內，MOSFET 通常也會導通。與此同時，電解電容會反復充放電，從而導致發熱嚴重。

提升EMC 性能

升降壓拓撲還可以提升 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）而外部電容大（在 μF 范圍內）。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。 采用升降壓驅動 IC 可提高效率。通過采用固定峰值電流控制，較小負載對應較低的 fSW。因此，升降壓拓撲可提升 EMC 性能（參見圖 6）。

圖 6：升降壓拓撲的恒定峰值電流

結論二

采用最佳的防反保護電路設計對通過各種脈沖干擾測試標準非常重要。與傳統的 PMOS電路相比，NMOS 電路提高了驅動電流能力和 EMC 性能。

審核編輯：湯梓紅