防反保護電路的設計（下篇）

本系列的上、下兩篇文章探討了防反保護電路的設計。 上篇 介紹了各種脈沖干擾以及在汽車(chē)電子產(chǎn)品中設計防反保護電路的必要性，同時(shí)回顧了 PMOS 方案保護電路的特性；本文為下篇，將討論使用 NMOS 和升降壓驅動(dòng) IC 實(shí)現的防反保護電路。

NMOS

設計具有 NMOS 和驅動(dòng)IC 的防反保護電路時(shí)，NMOS 需放置在高邊，驅動(dòng)IC也從高邊取電，這里將產(chǎn)生一個(gè)大于輸入電壓 (VIN) 的內部電壓，給 NMOS 提供 (VGS)驅動(dòng)供電。

根據驅動(dòng)電源產(chǎn)生的原理，驅動(dòng)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(chē) 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(dòng)能力和出色的EMC 性能。該方案非常適合大電流和高性能環(huán)境，例如汽車(chē)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(dòng)IC的工作原理

圖2顯示了具有電荷泵拓撲的NMOS驅動(dòng)簡(jiǎn)化工作原理圖。

圖 2：電荷泵拓撲的工作原理圖

CLK周期描述如下：

1. S1和S2導通

2. C0 由內部對地電壓源充電

3. S3和S4導通

4. C1 由 C0 上的電壓充電

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(guò)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(gè)大于 VBATT 的電壓驅動(dòng)。

圖 3 顯示了具有升降壓拓撲的 NMOS 驅動(dòng)簡(jiǎn)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(shí)， VIN 對電感充電，電感電壓為負；當S_BAT關(guān)斷時(shí)，電感將通過(guò)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(guò) VBATT 時(shí)，NMOS柵極將被驅動(dòng)。

升降壓驅動(dòng) IC 的優(yōu)勢

在防反保護驅動(dòng) IC 中采用升降壓驅動(dòng) IC 有兩個(gè)明顯優(yōu)勢：增強驅動(dòng)電流能力并提高 EMC 性能。

驅動(dòng)電流能力

升降壓拓撲可以提供更大的驅動(dòng)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(jìn)行實(shí)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(guò)防反保護 MOSFET 的漏極電壓（淺藍色）、MOSFET 驅動(dòng) 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(dòng)IC實(shí)時(shí)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(dòng)關(guān)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(guò) VD，則 VIN 超過(guò)系統電壓，MOSFET 驅動(dòng)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(dòng)，由于其驅動(dòng)電流能力不強，在輸入電壓快速波動(dòng)時(shí)，容易產(chǎn)生門(mén)極驅動(dòng)脈沖丟失或者常開(kāi)的異?，F象。

我們對電荷泵防反保護電路進(jìn)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(dòng) 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(dòng)脈沖丟失時(shí)，MOSFET不會(huì )被驅動(dòng)。與此同時(shí)，體二極管導通將導致大量熱損耗。而且在導通時(shí)，將產(chǎn)生較大的充電電流尖峰。

當柵極驅動(dòng)脈沖常開(kāi)的時(shí)間內，MOSFET 通常也會(huì )導通。與此同時(shí)，電解電容會(huì )反復充放電，從而導致發(fā)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(méi)有電感，但它是一種容性開(kāi)關(guān)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?。ㄔ?pF 范圍內）而外部電容大（在 μF 范圍內）。因此，電荷泵的開(kāi)關(guān)頻率 (fSW) 常超過(guò) 10MHz，這種高頻率將導致 EMI 問(wèn)題。

采用升降壓驅動(dòng) IC 可提高效率。通過(guò)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(jiàn)圖 6）。

圖 6：升降壓拓撲的恒定峰值電流

MPQ5850-AEC1簡(jiǎn)介

MPQ5850-AEC1 是一款智能二極管控制芯片，它可以替代肖特基二極管，驅動(dòng)外部 NMOS實(shí)現反向輸入保護。該器件采用 TSOT23-8 封裝，非常適合汽車(chē)冷啟動(dòng)條件。

圖 7 對電荷泵拓撲與采用升降壓拓撲的MPQ5850-AEC1進(jìn)行了EMC 性能比較。左邊的電荷泵拓撲可能會(huì )存在潛在的EMC 問(wèn)題，而右邊的MPQ5850-AEC1 方案能完美通過(guò)國標等級５測試。

圖7：電荷泵拓撲與MPQ5850-AEC1的比較

結語(yǔ)

采用最佳的防反保護電路設計對通過(guò)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(dòng)電流能力和 EMC 性能。MPS的 MPQ5850-AEC1 可提供反向輸入保護功能并滿(mǎn)足EMC標準。欲了解更多詳情，請瀏覽MPS行業(yè)領(lǐng)先的 負載開(kāi)關(guān)和控制器相關(guān)頁(yè)面，這些產(chǎn)品均以緊湊的封裝提供了易于使用且安全的解決方案。