為反向極性保護(hù)設(shè)計一個電路

反向極性解決方案被看成是一個迫不得已、不得不做的事情。例如，在汽車系統(tǒng)中，搭線啟動期間，防止電池反接或者電纜反向連接很重要，然而系統(tǒng)設(shè)計人員也必須忍受反向極性保護(hù)出現(xiàn)時的功率損耗。通常情況下，一提到防止反向極性情況，工程師的腦海中首先想到的就是二極管。

你是不是覺得有些奇怪，孩子的玩具在裝上電池后不工作，但是當(dāng)你把電池的方向調(diào)過來后，玩具突然就好了？嗯，這就是反向極性電路起到的作用，一個簡單的二極管就能使你的孩子開心一整天。

現(xiàn)在，我們?yōu)槭裁床荒軐⒁粋€二極管用于需要反向極性保護(hù)的所有應(yīng)用呢？傳統(tǒng)二極管上有0.7V的壓降，而二極管上的功率損耗為V x I。想象一個要求5A電源的應(yīng)用。如果使用一個肖特基二極管，那么功率損耗大約為3.5W。除了功率耗散，電路中的可用電壓為電源電壓減去二極管壓降。

在工業(yè)和汽車應(yīng)用中，大多數(shù)前端接口要求反向極性保護(hù)，而這一保護(hù)功能通常由二極管或MOSFET提供。由于它不需要電荷泵，p通道MOSFET一直用于高電流應(yīng)用。然而，p通道MOSFET的Rds(on) 在低輸入電壓時變得過高，并且它不能防止反向電流流回到輸入端。為了減少靜態(tài)電流，它還需要額外的電路和信號將其關(guān)閉。我們在隨后會討論p通道MOSFET在使用時的其它弊端。

那么我們該如何使用一個簡單的n通道MOSFET，并確保我們無需任何的額外電路，而且要使其運行方式與一個二極管的運行方式完全一樣，而又不產(chǎn)生功率損耗呢？

這時就有一個智能二極管控制器出現(xiàn)在我們面前，即LM74610-Q1。由于汽車中的很多電子控制模塊直接連接至汽車電池，所以這款器件在汽車應(yīng)用中越來越受到歡迎。任何一個連接至電池的模塊需要受到反向電壓保護(hù)，而反向電壓是與錯誤搭線啟動過程相關(guān)的常見問題。圖1中顯示的是一個針對汽車前端系統(tǒng)的應(yīng)用電路。LM74610-Q1智能二極管控制器，連同一個n通道MOSFET和電荷泵電容器，組成了智能二極管解決方案。

圖1：LM74610-Q1智能二極管控制器和n通道MOSFET的典型用例。

對于那些具有低電流要求的模塊來說，二極管也許更加實用，而對于所需電流大于2-3A的模塊，大多數(shù)設(shè)計人員將使用一個p通道MOSFET來在反向電壓情況出現(xiàn)時提供保護(hù)功能。然而，這樣的控制電路比較復(fù)雜，并且高電流p通道MOSFET也比較昂貴，并且會增加總體系統(tǒng)成本。P通道MOSFET常見的Rds(on) 會在低輸入電壓時急劇上升，而這一情況在啟停應(yīng)用中很常見。如圖2所示，實驗室測試已經(jīng)證明，在低輸入電壓時，p通道MOSFET具有比肖特基二極管更低的熱性能。P通道MOSFET也沒有反向電流切斷，從而在電壓中斷、熱啟動、冷啟動和啟停情況等典型汽車條件導(dǎo)致的任何輸入下降期間，攫取大量的電容器電壓。

圖2：智能二極管控制器（加上n通道MOSFET）與p通道MOSFET的性能比較圖。

ORing應(yīng)用也需要二極管或MOSFET。汽車領(lǐng)域最近的一個趨勢就是使用冗余電池連接—通常為兩條已安裝保險裝置的電源路徑—將這兩條電源路徑置于針對安全關(guān)鍵應(yīng)用的模塊之中。緊急呼叫系統(tǒng) (E-call) 盒子包含用于正常運行的汽車電池的冗余電源，以及一個備用應(yīng)急電池，以應(yīng)對主電池連接脫離的情況。

低電流模塊通常將二極管用于ORing。高電流ORing應(yīng)用需要更加復(fù)雜的電路，其中具有很多相關(guān)的分立式組件和大型多引腳封裝。汽車和工業(yè)應(yīng)用很重視可靠性，從而使設(shè)計人員盡可能地減少組件和引腳數(shù)量，以降低故障率。

在需要低靜態(tài)電流流耗的應(yīng)用中，針對輸入保護(hù)的以接地為基準(zhǔn)的設(shè)計方案并不那么實用。汽車排放標(biāo)準(zhǔn)和車輛中數(shù)量越來越多的電子模塊已經(jīng)對關(guān)閉和接通狀態(tài)下的電流提出了更加嚴(yán)格的預(yù)算要求。通常情況下，每個電子模塊的關(guān)閉狀態(tài)可以低至100μA。這也是我們在把汽車停在機(jī)場長達(dá)2個星期之后仍然能夠啟動車輛的原因。

LM74610-Q1，連同一個n通道MOSFET能夠更好地滿足低靜態(tài)電流的要求。它提供與二極管相類似的反向極性保護(hù)，以及在正常極性條件下，類似于MOSFET的性能。由于這個器件無需任何控制信號，LM76410-Q1模擬一個雙端子器件，并且不是以接地為基準(zhǔn)的。

這個不以接地為基準(zhǔn)的主要優(yōu)勢在與，LM76410-Q1消耗的靜態(tài)電流為零。當(dāng)施加反向電壓時，MOSFET的體二極管并未接通，所以它也不會接通LM74610-Q1。當(dāng)施加一個正常的極性電壓時，這個體二極管導(dǎo)電，內(nèi)部電荷泵電路以二極管的電壓啟動，并且生成使MOSFET接通的電壓。MOSFET定期（在1%的占空比時）關(guān)閉，以重新裝滿電荷泵。一個受保護(hù)電路將在98%占空比上，以固定的時間間隔出現(xiàn)一個0.6V的壓降。在將一個2.2μF電容器用作電荷泵電容器時，MOSFET每隔2.6s一次性關(guān)閉大約50ms。圖3顯示的是LM74610-Q1的方框圖。

圖3：LM74610-Q1方框圖

二極管的一個固有屬性就是阻斷反向電壓，并且不讓反向電流流過。智能二極管控制器模擬了這個運行方式，并且在反向電流期間具有極快速的關(guān)閉時間（通常為2μs）。按照ISO7637，阻斷反向電壓是通過汽車應(yīng)用測試的一項重要特性。ISO7637技術(shù)規(guī)格要求，在由12電源供電運行時，電子模塊對于負(fù)電壓脈沖的影響要做出動態(tài)地響應(yīng)。

對于反向電壓的慢速響應(yīng)會導(dǎo)致輸出在脈沖期間變?yōu)樨?fù)值，或者嚴(yán)重放電。如果輸出變?yōu)樨?fù)值或者電容器嚴(yán)重放電，那么下游電子元器件就有可能被損壞。為了防止嚴(yán)重放電，可以使用更大的大容量電容器，不過這需要更多的電路板空間，成本也會更高。實驗室測試也已經(jīng)證明，智能二極管控制器要比一個p通道MOSFET的結(jié)構(gòu)快很多。圖4顯示的是對于反向極性的快速操作相應(yīng)，并且如圖5所示，由于使用了一個小型4.7uF輸出電容器，它能夠滿足ISO7637脈沖1的要求。

圖4：LM74610-Q1對于反向電壓的響應(yīng)時間。

圖5：智能二極管控制器解決方案—采用4.7uF輸出電容器時的ISO脈沖1。

圖6：針對智能二極管實現(xiàn)方式的小外形尺寸 (8mm x 12mm)。

LM74610-Q1智能二極管控制器和一個n通道MOSFET組合在一起，形成了一個高效的汽車和工業(yè)前端反向極性結(jié)構(gòu)，并且能夠從低電流擴(kuò)展至非常高的電流。圖6顯示的是可以實現(xiàn)的，用于100W解決方案的小外形尺寸 (117mm2)，它的尺寸大約為D2PAK二極管尺寸（180mm2）的60%。

審核編輯：郭婷