防反電路一定要用PMOS嗎？

汽車電源系統(tǒng)是極其惡劣的系統(tǒng)，數(shù)以百計(jì)的負(fù)載掛在汽車電池上，同一時(shí)刻這些負(fù)載的工作狀態(tài)各不相同，也無法確定。

因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮這些負(fù)載處于不同工況時(shí)，處于各種潛在故障狀態(tài)下，電源線所產(chǎn)生的各種脈沖可能帶來的影響。

下圖就描述了不同應(yīng)用場景下，電源線上可能出現(xiàn)的各類脈沖。

比如，當(dāng)突然關(guān)閉大功率負(fù)載時(shí)，電池電壓會(huì)出現(xiàn)過沖；當(dāng)突然啟動(dòng)大功率負(fù)載時(shí)，電池電壓會(huì)出現(xiàn)跌落；當(dāng)感性線束突然出現(xiàn)松動(dòng)時(shí)，負(fù)載會(huì)看到負(fù)向電壓脈沖；當(dāng)汽車發(fā)電機(jī)工作時(shí)，會(huì)在電池上疊加交流紋波；甚至，當(dāng)出現(xiàn)道路救援時(shí)，備用電池可能出現(xiàn)極性反接的錯(cuò)誤操作，此時(shí)電池電壓極性長時(shí)間反接。

為了覆蓋這些汽車電源線上可能存在的各種脈沖干擾，行業(yè)協(xié)會(huì)和各大整車廠紛紛制定了相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)，用來模擬電源線瞬態(tài)脈沖。比如 ISO7637-2，ISO16750-2，還有奔馳和大眾等車廠測試標(biāo)準(zhǔn)等。防反電路作為最前端的電路，在實(shí)現(xiàn)防反功能的同時(shí)，還需要滿足上述各種測試標(biāo)準(zhǔn)。

了解完汽車相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)后，我們來看一下防反電路的基本類型：

1

--- 串聯(lián)肖特基二極管

這種方式的優(yōu)點(diǎn)是簡單，成本低，但損耗較大。一般用于電流不超過 2-3A 的小電流應(yīng)用。

2

--- 在高邊串聯(lián) PMOS

這種方式的驅(qū)動(dòng)電路簡單，當(dāng)電源正接時(shí)，PMOS 溝道導(dǎo)通，管壓降小，損耗和溫升低，當(dāng)電源反接時(shí)，PMOS 溝道關(guān)閉，寄生體二極管實(shí)現(xiàn)防反的功能。缺點(diǎn)是，PMOS 成本較高。一般用于電流超過 3A 以上的大電流應(yīng)用場合。

3

--- 在低邊串聯(lián) NMOS

這種方式柵極驅(qū)動(dòng)電路簡單，且 NMOS 成本較低。其工作原理和 PMOS 類似。但由于這種防反結(jié)構(gòu)使得電源地和負(fù)載地被分割，在汽車電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，很少用到。

下面我們來詳細(xì)介紹 PMOS 的防反電路設(shè)計(jì)。

如下是最傳統(tǒng)的采用 PMOS 做防反功能的電路單元，PMOS 的門級(jí)接電阻到地。當(dāng)輸入端接正向電壓時(shí)，電流流過 PMOS 的體二極管到負(fù)載端，當(dāng)正向電壓高于 PMOS 門限閾值電壓，則會(huì)導(dǎo)通溝道，PMOS 的 Vds 壓降降低，從而實(shí)現(xiàn)低損耗。一般我們會(huì)在門級(jí)和源極之間接穩(wěn)壓管，防止輸入電源波動(dòng)時(shí)，柵源極 Vgs 出現(xiàn)過壓，擊穿 PMOS；

但基本 PMOS 防反電路具有如下兩個(gè)缺點(diǎn)：

01系統(tǒng)待機(jī)電流較大

PMOS防反單元電路，自始至終，由穩(wěn)壓管和限流電阻構(gòu)成的Vgs驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路都存在暗電流，這樣限流電阻R的選擇將影響整體的待機(jī)功耗；

限流電阻R的取值不宜過大。一方面，普通穩(wěn)壓管的正常鉗位電流基本為mA級(jí)，如果限流電阻過大，穩(wěn)壓管沒辦法可靠導(dǎo)通，其鉗位的性能大打折扣，Vgs存在過壓的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，限流電阻越大，PMOS的驅(qū)動(dòng)電流越小，其開通和關(guān)斷的過程就越慢，當(dāng)輸入存在電壓波動(dòng)的時(shí)候，PMOS可能長時(shí)間存在于線性區(qū)，導(dǎo)致PMOS出現(xiàn)過溫的問題。

02存在反灌電流。

采用基本 PMOS 做防反電路設(shè)計(jì)，在做輸入電源跌落測試時(shí)，隨著輸入電壓跌落，PMOS 溝道仍導(dǎo)通，此時(shí)系統(tǒng)電容的電壓會(huì)反灌電源，導(dǎo)致產(chǎn)品的系統(tǒng)掉電，功能中斷。在做輸入疊加交流電壓測試時(shí)，由于 PMOS 完全導(dǎo)通，同樣存在電流反灌的現(xiàn)象，導(dǎo)致電解電容反復(fù)充放電，電解電容存在過熱隱患。

在了解完傳統(tǒng) PMOS 做防反電路設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)后，我們不禁要問，有沒有更好的，能夠應(yīng)對(duì)汽車電子系統(tǒng)中復(fù)雜電源脈沖測試的防反電路設(shè)計(jì)方案呢？

審核編輯 ：李倩