采用NMOS+驱动IC做防反电路设计的优点

在上期视频和文章中，我们介绍了汽车电子产品中和防反相关的各种复杂的脉冲测试，常见防反电路的类型，以及采用 PMOS 做防反电路设计时的缺点。

今天我们书接上回，继续防反电路 PMOS 的话题。本期为下篇。

在这一期中，我们将介绍采用 “NMOS + 驱动 IC” 的方案做防反电路的设计及其优点。

所谓 “NMOS + 驱动 IC” 做防反设计，指的是将 NMOS 置于高边，驱动 IC 也从高边取电，内部产生一个高于 Vin 的电压，给 NMOS 提供 Vgs 驱动供电。

根据此驱动电源的产生原理，驱动 IC 可分为 Charge Pump(电荷泵)型和 Buck-Boost(升降压)型;

如下图所示，即为这两种方案的特点：

采用 Charge Pump 型的防反方案，整体 BOM 少，成本较低，适用于电流不大，追求高性价比的场合，比如汽车 USB-PD 大功率充电模块等。

采用 Buck-Boost 型的防反方案，IC 的驱动能力强，EMC 性能好，适用于大电流，追求高性能的场合，比如汽车各类域控制器，汽车音响系统等;

下面我们详细介绍一下这两种驱动 IC 的工作原理。

如下图所示，这是一个采用电荷泵做 NMOS 驱动的简单工作原理。

在 CLK 周期内，先令 S1/S2 导通，将内部相对于地的电压源电压给 C0 充电，然后令 S3/S4 导通，将电容 C0 上的电压给电容 C1 充电。C0 是小电容，充放电速度快，C1 是大电容，负载能力强，因此通过频繁地开关 S1/2 和 S3/4，就能不断地将 C0 上的电荷搬运到 C1 上，而 C1 的负端连接电池电压，因此我们就得到高于电池的电压，用来给 NMOS 的门极做驱动。

如下图所示，这是一个采用 Buck-Boost 拓扑的 NMOS 驱动的简单工作原理。

这种 Buck-Boost 拓扑是将功率 MOS 置于 Low Side 的 Buck-Boost 拓扑。

当 Buck-Boost 的 MOS 管 S_bst 导通时，输入电压通过电感储能，电感电压上正下负;

当 Buck-Boost 的 MOS 管 S_bst 关断时，电感通过二极管释放能量，电感电压上负下正，给电容 C1 充电;

这样我们就能在 C1 上获得高于电池的电压，用来给 NMOS 的门极做驱动了。

之前有提到，采用Buck-Boost型防反驱动IC具有更好的性能优势，这又是为何呢?

这种优势主要体现在如下两点：

优势一

Buck-Boost 型防反驱动 IC 具有更大的驱动电流能力，能更快的响应输入各种扰动。

我们用输入叠加高频交流纹波脉冲举例说明。

上图是输入叠加100kHz，峰峰值2V条件下的实测波形;紫红色是输入防反 MOSFET 的 SOURCE 极电压，浅蓝色是经过防反 MOSFET 的 DRAIN 极电压，红色是 MOSFET 驱动 Vgs 电压，绿色是负载电流。

可以看到，驱动 IC 实时监测 NMOS 的漏极和源极。输入电压和源极电压一致，系统电压和漏极电压一致。当源极电压低于漏极电压，即输入电压低于系统电压时，关闭 MOSFET 驱动，体二极管实现防反功能，防止电容电流反灌;当源极电压高于漏极电压，即输入电压高于系统电压时，导通 MOSFET 驱动，避免体二极管导通，影响效率。

如果采用电荷泵型防反驱动，由于其驱动电流能力不强，在输入电压快速波动时，容易产生门极驱动脉冲丢失或者常开的异常现象。

下图是实测采用电荷泵型防反驱动的波形，黄色是防反 MOSFET 的输入SOURCE 极电压，红色是 MOSFET 的输出 DRAIN 极电压，绿色是 MOSFET 的驱动 Vgs，蓝色是负载电流。

在门极驱动脉冲丢失的时间内，MOS 无驱动，体二极管导通，存在巨大热损耗，同时在下一次开通瞬间，存在较大的充电电流尖峰;

在门极驱动脉冲常开的时间内，MOS 常通，电解电容反复充放电，导致发热严重。

优势二

Buck-Boost 型防反驱动 IC 具有更好的 EMC 性能。

可能有工程师会质疑，采用 Buck-Boost 这种开关电源拓扑，是否会有 EMC 的问题呢?

其实恰恰相反，电荷泵虽然没有电感，但它是电容式开关电源，电荷泵由于效率低，所以需要很高的工作频率。一般而言，芯片内部集成的电容容值不大，是 pF 级，而芯片外用于给 NMOS 做驱动的电容，需要容值较大，是 uF 级。这样我们的 Charge Pump 开关频率不可避免在10M以上，而这样的高频，就有可能带来 EMI 的潜在威胁。

采用 Buck-Boost 拓扑的防反驱动，其效率远高于电荷泵拓扑。且这类驱动 IC 内部一般采用定峰值电流控制模式，这种模式在负载越轻的时候，开关频率越低。因此，Buck-Boost 拓扑的防反驱动具有更好的 EMC 性能。

如下图所示，右边是 MPS 最新推出的采用 Buck-Boost 型拓扑的防反驱动 IC，MPQ5850，其 EMC 测试结果能完美通过国标等级5的测试。

关于汽车电子产品中防反电路的设计，现在你应该了解了吧。

原文标题：MPS 电源小课堂第三季第二话：防反电路一定要用 PMOS 吗?(下)

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　　审核编辑：汤梓红