可用于电池反向保护的各种方法

在车辆的使用寿命期间，可能需要断开其电池进行维护工作或在出现故障时更换电池。在重新连接期间，可能会颠倒电池连接的极性，这可能会导致潜在的短路和连接到电池的负载出现其他问题。不幸的是，不同尺寸的电池端子的机械设计或使用突出的电缆、连接器和端子颜色编码并不能完全避免这个问题。因此，某种形式的电子阻断或反极性电压保护是必要的，不仅是为了保护电池本身，也是为了保护现代车辆所依赖的越来越多的电子控制单元 （ECU）。

本文研究了可用于电池反向保护的各种方法，并分析了每种方法的优缺点。特别是超级势垒整流器 （SBR ® ），它解决了各种基于 MOSFET 的解决方案的缺点，甚至在效率和耐用性方面优于简单的肖特基二极管。

潜在保护电路：

保护 ECU 的流行方法包括使用阻塞二极管，或者为了避免常规整流二极管的低效率，使用 MOSFET 作为理想二极管。其他解决方案可能会使用专门设计的 IC。最终，所选择的解决方案必须满足最终应用特定环境所需的性能，同时考虑组件数量/复杂性、成本、能源效率等因素，并且可能最重要的是，它是否能够充分承受故障条件和任何相关的瞬态。 后者通常使用 ISO7637-2 定义的脉冲进行评估，该脉冲测试安装在车辆中的设备对传导电瞬变的兼容性，如下所述。

阻塞二极管是防止电池反向连接的最简单方法。插入与 ECU 负载串联的整流二极管可确保电流仅在电池正确连接时才能流动。由于不需要控制信号，因此电路复杂性和组件数都很低。另一方面，由于二极管的正向电压 VF，在 ECU 通电期间，二极管一直在消耗能量，这可能会在大功率应用中造成重大损失。

使用肖特基二极管等低 VF 器件代替标准整流器可以减轻与标准整流器相关的损耗。然而，肖特基二极管的反向泄漏特性特别依赖于温度，如果在高温条件下施加高反向功率，则会导致能量损失增加，并使器件容易发生热失控。

在 ECU 的高端电源中插入一个 MOSFET 并连接栅极，以便仅在电池极性正确时打开设备，这是一种替代解决方案。由于 MOSFET 导通电阻 （RDS（ON）） 通常只有几毫欧，因此与二极管 VF 引起的损耗相比，I2R 功率损耗较低。此外，反向阻断性能比肖特基二极管更强大。可以使用 N 沟道或 P 沟道 MOSFET，前提是器件的漏源体二极管的方向可以将电流以正确的方向传导到 ECU 中。

N 沟道或 P 沟道 MOSFET 均可用于高端电池反向保护。N 通道器件凭借其低 RDS（ON） 提供最低功耗拓扑。然而，开启 MOSFET 需要一个大于电池电压的栅极电压。这需要如图 1 所示的电荷泵，这会增加电路复杂性和组件成本，并且还会带来 EMI 挑战。同等尺寸的 P 沟道 MOSFET 将具有更高的 RDS（ON） 并因此具有更高的功率损耗，但可以使用包含齐纳二极管和电阻器的更简单的驱动电路来实现。

虽然在低侧电路中插入 N 沟道 MOSFET 可以消除对电荷泵的需求，但也会引入敏感汽车系统无法接受的接地偏移。

图 1a。提供 MOSFET 栅极电压所需的电荷泵增加了复杂性，并可能引入 EMI 问题。

图 1b：用于电池反向保护装置的 P 沟道 MOSFET 需要更少的组件，但会产生更高的功率损耗

超级势垒整流器是 Diodes Incorporated 的专有整流器技术，将传统二极管的简单性和稳健性与肖特基二极管的低正向电压相结合，为应对电池反向保护挑战提供了卓越的性能解决方案。图 2 显示了如何将 SBR 插入到 ECU 的高端电源中，其方式与传统二极管大致相同。

图 2. SBR 的连接方式与二极管或 MOSFET 相同，无需电荷泵电路。

超级势垒整流器使用 MOS 通道为多数载流子创建低势垒。与典型的肖特基器件不同，这导致了低 VF 和高可靠性的结合。同时，SBR 具有较低的反向泄漏，即使在高温下也保持稳定，从而最大限度地减少能量损失并避免与肖特基二极管相关的热失控风险。此外，没有肖特基结也确保了更高的浪涌容限。此外，SBR 避免了 N 沟道 MOSFET 所需的电荷泵，这意味着没有 EMI 问题。

尽管设计用于防止由于电池反向连接引起的电流流动，但保护装置本身可能会暴露于潜在的破坏性瞬变。虽然多种类型的开关瞬变可以产生持续时间短的脉冲，但最危险的高能脉冲是。

ISO 脉冲测试：

任何旨在保护车辆电池免受反向连接影响的解决方案还需要足够强大，以承受开关瞬变，例如由为电感负载供电时突然断开电源或负载突降等事件引起的高能脉冲，即当电池在从交流发电机充电时断开时。

当应用于提供反向电池保护的电路时，使用 ISO7637-2 定义的脉冲进行测试以满足这些条件中最苛刻的条件：

脉冲 1 表示在为电感负载供电时电源断开的情况，其中整流器受到高负电压脉冲的影响。ISO 定义的脉冲条件如图 3 所示。

图 3. ISO 测试脉冲 1 模拟由电源断开引起的严重负脉冲。

除此脉冲外，脉冲 3a 还使器件承受高负电压，但此脉冲的持续时间非常短（0.1μs），此脉冲代表开关瞬态。

这些负瞬态电压使保护装置暂时处于雪崩状态。雪崩条件及其对半导体结的影响的详细描述超出了本文的范围。然而，简单来说，当一个PN结受到雪崩条件时，该结被击穿并允许大量的反向电流流过它。如果设备不能处理所涉及的电流和能量，雪崩可能会造成不可逆转的损坏。在汽车电池反向保护应用中，这些雪崩条件的发生是由于存储在感应负载（如继电器）中的磁能和任何寄生电感，使其成为能量受限事件。因此，如果该设备具有足够的雪崩等级，则它可以在这些情况下生存。

必须选择具有明确定义和保证雪崩规格的保护器件，例如反向保护 SBR，其特性如图 4 所示。根据图 3 中给出的脉冲波形和条件，脉冲中涉及的峰值雪崩功率1个测试可以计算为：

P avalanche_peak = V avalanche * I avalanche_peak

在哪里：

V雪崩= US = 100V

和：

I avalanche_peak = V雪崩/R i = 100V/10Ω = 10A

因此：

P avalanche_peak = 100V * 10A = 1000W

然而，与脉冲 1 产生的能量有关的数字是脉冲持续时间内的平均功率，由下式给出：

P avalanche_average = 0.5 * V avalanche * I avalanche_peak = 0.5 * 100V * 10A = 500W

因此，由于 ISO7637-2 中规定的 Pulse 1 宽度为 2ms，从图 4 可以看出，该 SBR 器件的雪崩性能超过了 ISO7637-2 的要求。由于另一个负脉冲脉冲 3A 是持续时间仅为 100ns 的瞬态，因此符合脉冲 1 的设备也将通过脉冲 3A 测试。

图 4：脉冲持续时间与最大雪崩功率（对于 Diodes SBR30A60CTBQ设备）

图 5 比较了 10A 45V SBR 与两个竞争性肖特基二极管的雪崩能力。可以看出，SBR 的雪崩能力比肖特基技术好 3 到 10 倍。因此，SBR 更适合发生反向雪崩条件的反向电池应用。通过精心设计，MOSFET 解决方案也可以实现类似于 SBR 的雪崩耐用性。

图 5. 与肖特基二极管相比，SBR 出色的雪崩耐用性允许使用额定值较低的器件来提高效率。

脉冲 5a 表示当交流发电机正在充电时放电电池断开时发生的负载突降情况。这是设备可以看到的最严重的正脉冲。ISO7637 Pulse 5a 定义如图 6 所示。

图 6. 了解器件的浪涌电流能力有助于确定 ISO 7637 脉冲 5a 的生存能力。

对 Pulse 5a 的考虑得出的结论是，在选择反向电池阻断设备时，有关设备正向浪涌电流能力的信息是必不可少的。Diodes Incorporated 的 ACQ101 合格 SBR 的数据表包含此信息。

结论：

在为汽车 ECU 实施所需的电池反极性保护时，有多种方法是可行的。设计人员需要考虑 ECU 功耗和成本等因素，以实现效率、电路复杂性、电磁兼容性和耐用性的最佳组合。超级势垒整流器专为汽车等大功率、高温应用而开发，为肖特基二极管提供了价格具有竞争力的替代方案，并且可以在低成本、低复杂性和不受 EMI 影响的情况下提供更高的效率和可靠性问题，是优先事项。