反向极性保护概述和解决方案

引言：许多前端电源系统设计都需要保护，以免因输入电源反向连接、电池反向连接或电源线布线错误而造成损坏。肖特基二极管是防止反极性条件的传统选择，但正向导通造成的功率损失需要详细的热计算评估，导致系统成本和空间增加。此外，对更高功率密度需求的增加，需要更好、更有效的反极性保护方法。

1.反向极性保护概述

大多数前端电源系统需要保护，以防在浪涌事件或感应负载与电池断开连接期间出现动态反极性情况，反向连接的电源可能会损坏连接的子系统、电路和组件。许多汽车电池供电的子系统需要在维修或从另一辆车跨接启动期间避免电池反向连接，以及在车辆使用寿命期间可能发生的瞬态反向输入。

2.反向输入极性保护

图8-1显示了反向连接的电池输入路径，当这种情况发生时，巨大的电流流经微控制器（MCU）、DC/DC转换器或其它电路的静电放电（ESD）二极管，对连接电池的子系统造成严重损坏。反向连接的电池还可能会损坏极化器件，如电解电容器，如图8-2所示。

图8-1：反向接电池，短路电流流经MCU等等器件

图8-2：反向接电池，电流流经极化元件

3.使用肖特基二极管的反向极性保护

防止输入极性反向的常用方法采用肖特基二极管或具有分立元件的P-MOSFET，反向电池保护的最简单方法是在系统电源路径的输入端添加一个串联二极管。图8-3显示了使用肖特基二极管的反向电池保护方案，负载电流沿二极管的正向流动。如果电池安装的极性错误，二极管会反向偏置并阻断反向电流，从而保护负载免受负电压的影响。

图8-3：使用肖特基二极管的反向输入保护

而放置在输出端的大容量电容可防止输出过快跌落，并可在输入电源恢复之前短时间为负载供电。肖特基二极管防反缺点：

1：功率耗散，正向压降导致的正向导通损耗会在较高负载电流下导致显著的效率损失。

2：热管理，管理功耗需要散热器，增加了总成本和空间。

3：更高的正向电压降，在具有较低电压总线（3.3V）的系统中，二极管中0.4V的典型电压降将导致下游负载运行的电压净空更低。

4：反向漏电流，高压肖特基二极管的反向漏电流随着结温的升高而急剧增加，导致反向导通过程中功耗更高。

4.使用离散模块集集的反向极性保护

如图8-4所示，通过用P-MOSFET代替肖特基二极管，其体二极管朝向与与肖特基二极管相同，可以减少二极管的正向压降。在电池正常工作期间，MOSFET的体二极管正向偏置并导通很短的时间，直到当栅极电压拉到源极以下时MOSFET主沟道导通。当电池极性反转时，栅极-源极电压为正，此时MOSFET截止，保护下游电路免受负电压的影响。

图8-4：使用P-MOSFET进行反向输入保护

反向电池保护的另一种方法是在低侧使用N-MOSFET，例如在接地回路上，其工作原理类似于图8-4中的P-MOSFET。在正常工作期间，MOSFET的体二极管正向偏置并导通，直到MOSFET主沟道导通。当电池输入通过限流电阻对栅极充电时，MOSFET快速导通，当栅极-源极电压开始低于MOSFET阈值电压（Vth）并偏置为负时，在静态反向电池或动态反向电池连接条件下，在电池输入开始偏置为负之后，MOSFET关断。

图8-5：使用N-MOSFET的反向输入保护

5.反向极性保护vs反向电流阻断

反向极性保护，也称为反向连接保护，可防止在反向连接电池或感应负载与电池断开连接期间，输入端的负电压对负载造成损坏，反向极性保护不一定会阻止反向电流从负载或下游DC/DC转换器流入电池。

在许多系统中，在电源线短暂中断或电池输入短路期间，大的Bulk电容提供足够的备用电力，以便子系统可以不间断地运行或在关闭前执行维护任务，如内存转储。反向电流阻断防止反向电流从负载流回电池，并且允许Bulk电容为子系统在各种动态反向电池条件或短暂中断期间提供额外的备用时间。

图8-4或图8-5所示的反向输入保护不会阻止反向电流（这个反向电流不是电池反接产生的反向电流，而是电池正常接入，MOS开启时其余原因涌入的反向电流）流回电池，因为MOSFET是导通的。在图8-6中，输入功率从正值变为负值，P-MOSFET在短时间内保持导通，因为其VGS仍需要时间从负值转变为正值，这会导致输出端出现暂时的负电压尖峰。相反，肖特基二极管不断地阻挡反向电流流入电源，并固有地提供反向极性保护和反向电流阻挡。

图8-6：肖特基二极管vsP-MOSFET

6.使用分立MOSFET的缺点

1：缺乏反向电流阻断，MOSFET不适合具有大Bulk电容的应用，使用外部比较器可以阻断反向电流，但会增加成本和空间。

2：低输入电压下的功耗，P-MOSFET的漏极-源极导通电阻（RDSon）随着输入电压的降低而急剧增加，因为最大栅极-源极电压（VGS）受到输入电压范围的限制。RDSon增加导致的功耗降低了输入电压范围宽的应用程序的效率，例如12V的汽车电池电压可以从冷起动条件下的3.5V变化到浪涌起动情况下的28V。

3：P-MOSFET的尺寸和成本，对于更高功率负载，P-MOSFET的尺寸和成本显著增加。

4：低侧N-MOSFET，在接通和断开或负载电流瞬变期间，几乎所有系统都不能容忍系统接地电压的跳跃。

7.使用集成器件进行反向极性保护

理想的二极管控制器和eFuse器件具有集成的反向极性保护、反向电流阻断能力和低正向导通损耗，这使它们能够提供比肖特基二极管或分立MOSFET解决方案更有效的反向极性保护。

理想二极管控制器

理想二极管控制器驱动外部N-MOSFET作为理想的二极管工作，具有非常低的正向电压降和没有反向电流，图8-7显示了使用理想二极管控制器的反极性保护。

当MOSFET关断时，其体二极管会阻挡反向电流，当MOSFET在正向导通期间导通时，正向电压降和功耗会显著降低。理想二极管控制器可以感应流经MOSFET的反向电流，并很快将其关闭，从而使体二极管阻断反向电流。理想二极管控制器提供低调节正向电压、真正的反向电流阻断、快速反向电流响应以及非常低的关断电流和工作静态电流。

这些特性使理想二极管控制器能够在反极性保护应用中模拟理想的二极管，图8-7显示了理想二极管控制器对反向连接输入电源的响应。当输入电源线以相反极性连接时，控制器通过关断MOSFET完全阻断反向电流，输出不降为负，而是保持在0V。负载与反向输入电源连接隔离，并受到保护，免受反向电流造成的损坏。

图8-8：理想二极管控制器对反向输入极性的响应

动态反向极性响应

通过汽车电池供电的汽车子系统在其电源线上会受到各种电气瞬态的影响，而其功能不会中断。这样的瞬态条件是国际标准化组织ISO-7637-2脉冲1中规定的动态反向极性，其中负将低至–150V的瞬态电压施加到具有10Ω阻抗的12V电池供电线上，持续2ms。

图8-9显示了控制器对其输入端施加的动态反向极性的响应，在施加测试脉冲之前，MOSFET导通并允许负载电流通过。当在电池输入端施加ISO-7637-2测试脉冲1时，负载电流开始快速反向，并试图将输出电压拉至负值。控制器检测反向电流，并在0.75μs内关闭MOSFET，以阻断反向电流并防止输出变为负，它还可以防止大容量电容放电。

图8-9：理想二极管控制器对ISO-7637-2脉冲1的响应

使用eFuse进行反向极性保护

eFuse设备具有完全集成的反向输入电源保护功能，无需额外组件，这些设备可以承受-60V的反向电压而不会损坏。图8-10将eFuse的反向输入极性保护功能与外部肖特基二极管进行了比较，集成MOSFET取代了外部阻断二极管，提供了完全集成的反向电流阻断和反向极性解决方案。

图8-10：eFuse的集成反向极性保护

图8-11显示了eFuse对–57V反向输入电源的响应，eFuse通过在反向输入电源的情况下关闭MOSFET来完全阻断反向电流，并防止损坏下游电路和组件。

图8-11：eFuse对反向输入电源的响应

动态反向极性响应

通过外部电源供电的工业子系统在其电源线上会受到各种电气瞬态的影响，而其功能不会中断，在输入端施加由国际电工委员会IEC-61000-4-5规定的正浪涌和负浪涌，其中施加低至–500V的负瞬态电压20us。图8-12显示了电子保险丝对输入端–500V负浪涌的响应，输出保护持续生效，并且在浪涌事件结束后可以快速恢复输出。

图8-12：eFuse对输入时-500V浪涌的响应

使用理想二极管控制器和eFuse设备进行反向极性保护的优点包括：

1：提高了效率，较低的正向导通损耗可以提高效率。

2：集成反向极性和反向电流阻断功能。

3：降低了系统成本和空间，热管理比肖特基二极管更简单。

结论：使用基于N-MOSFET的理想二极管控制器和完全集成的eFuse解决方案，可提供强大的反向极性和反向电流阻断，与分立二极管和FET实现相比，功耗低、热性能优，节省空间。