驅(qū)動IC的工作原理

汽車電源系統(tǒng)常在極為惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，數(shù)以百計(jì)的負(fù)載掛在汽車電池上，需要同時確定負(fù)載狀態(tài)的汽車電池可能面臨極大的挑戰(zhàn)。當(dāng)負(fù)載處于不同工作條件和潛在故障狀態(tài)時，設(shè)計(jì)人員需要考慮電源線產(chǎn)生的各種脈沖可能帶來的影響。 將討論使用 NMOS和驅(qū)動器 IC 實(shí)現(xiàn)的防反保護(hù)電路設(shè)計(jì)。

脈沖干擾

圖 1 顯示了不同應(yīng)用場景下電源線上可能出現(xiàn)的各種脈沖類型。例如，當(dāng)大功率負(fù)載突然關(guān)閉，電池電壓可能產(chǎn)生過沖；當(dāng)大功率負(fù)載突然啟動，電池電壓將會跌落。當(dāng)感應(yīng)線束突然松動，負(fù)載上將產(chǎn)生負(fù)電壓脈沖。而發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，交流紋波會疊加在電池上。還有使用跳線時，備用電池可能使用錯誤，從而導(dǎo)致極性反接，此時電池電壓極性長時間反接。

圖1: 不同應(yīng)用場景下的脈沖類型 為解決汽車電源線上可能存在的各種脈沖干擾，行業(yè)協(xié)會和主要汽車制造商已經(jīng)制定了相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)來模擬電源線的瞬態(tài)脈沖。這些標(biāo)準(zhǔn)包括 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2，以及梅賽德斯-奔馳和大眾汽車的測試標(biāo)準(zhǔn)。防反保護(hù)電路作為最前端的電路，也必須滿足行業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)。

防反保護(hù)電路

防反保護(hù)電路包括三種基本類型，如下所述。

串聯(lián)肖特基二極管

這種電路通常用于 2A 至 3A 之間的小電流應(yīng)用，其電路簡單且成本低，但功耗較大。

在高邊串聯(lián)PMOS

對于電流超過 3A 的應(yīng)用，可以將PMOS放置在高邊。這種驅(qū)動電路相對簡單，但缺點(diǎn)是PMOS成本較高。 當(dāng)電源正接時，PMOS溝道導(dǎo)通，管壓降小，損耗和溫升低。 當(dāng)電源反接時，PMOS溝道關(guān)斷，寄生體二極管實(shí)現(xiàn)防反保護(hù)功能。

在低邊串聯(lián)NMOS

這種電路需要在低邊放置一個 NMOS。簡化的柵極驅(qū)動電路通常會采用高性價比的 NMOS。該電路的功能類似于放置在高邊的 PMOS。但是，這種防反保護(hù)結(jié)構(gòu)意味著電源地和負(fù)載地是分開的，這種結(jié)構(gòu)在汽車電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中很少使用。 圖 2 對這幾種防反保護(hù)電路進(jìn)行了總結(jié)。

圖 2：防反保護(hù)電路的類型 本文將重點(diǎn)介紹PMOS防反保護(hù)電路。

PMOS

大多數(shù)傳統(tǒng)的防反保護(hù)電路均采用 PMOS，其柵極接電阻到地。如果輸入端連接正向電壓，則電流通過 PMOS 的體二極管流向負(fù)載端。如果正向電壓超過 PMOS的電壓閾值，則通道導(dǎo)通。這降低了 PMOS 的漏源電壓 (VDS)，從而降低了功耗。柵極與源極之間通常會連接一個電壓調(diào)節(jié)器，以防止柵源電壓 (VGS) 出現(xiàn)過壓情況，同時還可以保護(hù) PMOS在輸入功率波動時不會被擊穿。 但基本的 PMOS 防反保護(hù)電路也有兩個缺點(diǎn)：系統(tǒng)待機(jī)電流大和存在反灌電流。下面將對此進(jìn)行詳述。

系統(tǒng)待機(jī)電流較大

當(dāng)PMOS用于防反保護(hù)電路時， VGS 和保護(hù)電路（由齊納二極管和限流電阻組成）周圍會存在漏電流。因此，限流電阻 (R) 會對整體待機(jī)功耗產(chǎn)生影響。 限流電阻的取值不應(yīng)太大。一方面，普通穩(wěn)壓管的正常鉗位電流基本為mA級，如果限流電阻過大，齊納二極管不能可靠導(dǎo)通，鉗位性能會明顯降低，從而導(dǎo)致 VGS 出現(xiàn)過壓風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，限流電阻太大意味著PMOS 驅(qū)動電流較小，這會導(dǎo)致較慢的開/關(guān)過程。如果輸入電壓(VIN) 發(fā)生波動，PMOS可能會長時間工作在線性區(qū)域（在該區(qū)域的 MOSFET 未完全導(dǎo)通），由此產(chǎn)生的高電阻會導(dǎo)致器件過熱。 圖 3 顯示了傳統(tǒng) PMOS 防反保護(hù)電路中的待機(jī)電流。

圖 3：傳統(tǒng) PMOS 防反保護(hù)電路中的待機(jī)電流

存在反灌電流

在進(jìn)行 ISO 16750 輸入電壓跌落測試時，PMOS 在 VIN 跌降時保持開路。在這種情況下，系統(tǒng)電容電壓會使電源極性反轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)電源故障并觸發(fā)中斷功能。而在疊加交流電輸入電壓測試中，由于 PMOS 完全開路，將導(dǎo)致電流回流。這會迫使電解電容反復(fù)充電和放電，最終導(dǎo)致過熱。 圖 4 顯示了輸入電壓的跌落測試。

圖 4：輸入電壓跌落測試

總結(jié)一

本文回顧了傳統(tǒng) PMOS 防反保護(hù)電路及其主要缺點(diǎn)，包括大的系統(tǒng)待機(jī)電流和反灌電流。接下來 將討論采用 NMOS 和升降壓驅(qū)動 IC 設(shè)計(jì)防反保護(hù)電路的優(yōu)勢。

NMOS

設(shè)計(jì)具有 NMOS 和驅(qū)動IC 的防反保護(hù)電路時，NMOS 需放置在高邊，驅(qū)動IC也從高邊取電，這里將產(chǎn)生一個大于輸入電壓 (VIN) 的內(nèi)部電壓，給 NMOS 提供 (VGS)驅(qū)動供電。 根據(jù)驅(qū)動電源產(chǎn)生的原理，驅(qū)動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(hù)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(yīng)用，例如汽車 USB 供電設(shè)備 (PD) 大功率充電模塊。

升降壓防反保護(hù)方案: 升降壓方案提供強(qiáng)大的驅(qū)動能力和出色的EMC 性能。該方案非常適合大電流和高性能環(huán)境，例如汽車域控制器和音響系統(tǒng)。

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(qū)動IC的工作原理

圖2顯示了具有電荷泵拓?fù)涞腘MOS驅(qū)動簡化工作原理圖。

圖 2：電荷泵拓?fù)涞墓ぷ髟韴D

S1和S2導(dǎo)通

C0 由內(nèi)部對地電壓源充電

S3和S4導(dǎo)通

C1 由 C0 上的電壓充電

ool/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(fù)載能力的大電容。因此，通過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(fù)端連接至電池電壓 (VBATT)。最終，NMOS由一個大于 VBATT 的電壓驅(qū)動。 圖 3 顯示了具有升降壓拓?fù)涞?NMOS 驅(qū)動簡化工作原理圖。

圖 3：升降壓拓?fù)涞墓ぷ髟韴D 在升降壓拓?fù)渲?，功率MOSFET放在低邊。當(dāng) S_BAT 導(dǎo)通時， VIN 對電感充電，電感電壓為負(fù)；當(dāng)S_BAT關(guān)斷時，電感將通過二極管釋放能量，電感電壓為正，并為 C1充電。當(dāng) C1 上的電壓超過 VBATT 時，NMOS柵極將被驅(qū)動。

升降壓驅(qū)動 IC 的優(yōu)勢

在防反保護(hù)驅(qū)動 IC 中采用升降壓驅(qū)動 IC 有兩個明顯優(yōu)勢：增強(qiáng)驅(qū)動電流能力并提高 EMC 性能。

驅(qū)動電流能力

升降壓拓?fù)淇梢蕴峁└蟮尿?qū)動電流能力和更快的輸入干擾響應(yīng)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(jié)果如圖 4所示，其中包含輸入防反保護(hù) MOSFET 的源極電壓（粉色）、通過防反保護(hù) MOSFET 的漏極電壓（淺藍(lán)色）、MOSFET 驅(qū)動 VGS （紅色）和負(fù)載電流（綠色）。

圖 4：升降壓拓?fù)涞臏y量波形（疊加交流紋波脈沖 = 100kHz，峰-峰值 = 2V） 波形顯示出，驅(qū)動IC實(shí)時監(jiān)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(tǒng)電壓則與漏極電壓 (VD)一致。 如果 VS 低于 VD，則 VIN 低于系統(tǒng)電壓，MOSFET 驅(qū)動關(guān)斷，體二極管提供防反保護(hù)功能防止電容電流回流；如果 VS 超過 VD，則 VIN 超過系統(tǒng)電壓，MOSFET 驅(qū)動導(dǎo)通，可避免體二極管導(dǎo)通影響效率。 如果采用電荷泵型防反驅(qū)動，由于其驅(qū)動電流能力不強(qiáng)，在輸入電壓快速波動時，容易產(chǎn)生門極驅(qū)動脈沖丟失或者常開的異?，F(xiàn)象。 我們對電荷泵防反保護(hù)電路進(jìn)行測量。測量結(jié)果如圖 5所示，其中包括防反保護(hù) MOSFET 的輸入源極電壓（黃色）、輸出漏極電壓（紅色）、驅(qū)動 VGS（綠色）和負(fù)載電流（藍(lán)色）。

圖 5：電荷泵拓?fù)涞臏y量波形 當(dāng)柵極驅(qū)動脈沖丟失時，MOSFET不會被驅(qū)動。與此同時，體二極管導(dǎo)通將導(dǎo)致大量熱損耗。而且在導(dǎo)通時，將產(chǎn)生較大的充電電流尖峰。 當(dāng)柵極驅(qū)動脈沖常開的時間內(nèi)，MOSFET 通常也會導(dǎo)通。與此同時，電解電容會反復(fù)充放電，從而導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重。

提升EMC 性能

升降壓拓?fù)溥€可以提升 EMC 性能。電荷泵雖然沒有電感，但它是一種容性開關(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(nèi)）而外部電容大（在 μF 范圍內(nèi)）。因此，電荷泵的開關(guān)頻率 (fSW) 常超過 10MHz，這種高頻率將導(dǎo)致 EMI 問題。 采用升降壓驅(qū)動 IC 可提高效率。通過采用固定峰值電流控制，較小負(fù)載對應(yīng)較低的 fSW。因此，升降壓拓?fù)淇商嵘?EMC 性能（參見圖 6）。

圖 6：升降壓拓?fù)涞暮愣ǚ逯惦娏?/p>

結(jié)論二

采用最佳的防反保護(hù)電路設(shè)計(jì)對通過各種脈沖干擾測試標(biāo)準(zhǔn)非常重要。與傳統(tǒng)的 PMOS電路相比，NMOS 電路提高了驅(qū)動電流能力和 EMC 性能。

審核編輯：湯梓紅