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模拟电源线的瞬态脉冲。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