反向極性保護(hù)概述和解決方案

引言：許多前端電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)都需要保護(hù)，以免因輸入電源反向連接、電池反向連接或電源線布線錯(cuò)誤而造成損壞。肖特基二極管是防止反極性條件的傳統(tǒng)選擇，但正向?qū)ㄔ斐傻墓β蕮p失需要詳細(xì)的熱計(jì)算評(píng)估，導(dǎo)致系統(tǒng)成本和空間增加。此外，對(duì)更高功率密度需求的增加，需要更好、更有效的反極性保護(hù)方法。

1.反向極性保護(hù)概述

大多數(shù)前端電源系統(tǒng)需要保護(hù)，以防在浪涌事件或感應(yīng)負(fù)載與電池?cái)嚅_連接期間出現(xiàn)動(dòng)態(tài)反極性情況，反向連接的電源可能會(huì)損壞連接的子系統(tǒng)、電路和組件。許多汽車電池供電的子系統(tǒng)需要在維修或從另一輛車跨接啟動(dòng)期間避免電池反向連接，以及在車輛使用壽命期間可能發(fā)生的瞬態(tài)反向輸入。

2.反向輸入極性保護(hù)

圖8-1顯示了反向連接的電池輸入路徑，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，巨大的電流流經(jīng)微控制器（MCU）、DC/DC轉(zhuǎn)換器或其它電路的靜電放電（ESD）二極管，對(duì)連接電池的子系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p壞。反向連接的電池還可能會(huì)損壞極化器件，如電解電容器，如圖8-2所示。

圖8-1：反向接電池，短路電流流經(jīng)MCU等等器件

圖8-2：反向接電池，電流流經(jīng)極化元件

3.使用肖特基二極管的反向極性保護(hù)

防止輸入極性反向的常用方法采用肖特基二極管或具有分立元件的P-MOSFET，反向電池保護(hù)的最簡(jiǎn)單方法是在系統(tǒng)電源路徑的輸入端添加一個(gè)串聯(lián)二極管。圖8-3顯示了使用肖特基二極管的反向電池保護(hù)方案，負(fù)載電流沿二極管的正向流動(dòng)。如果電池安裝的極性錯(cuò)誤，二極管會(huì)反向偏置并阻斷反向電流，從而保護(hù)負(fù)載免受負(fù)電壓的影響。

圖8-3：使用肖特基二極管的反向輸入保護(hù)

而放置在輸出端的大容量電容可防止輸出過快跌落，并可在輸入電源恢復(fù)之前短時(shí)間為負(fù)載供電。肖特基二極管防反缺點(diǎn)：

1：功率耗散，正向壓降導(dǎo)致的正向?qū)〒p耗會(huì)在較高負(fù)載電流下導(dǎo)致顯著的效率損失。

2：熱管理，管理功耗需要散熱器，增加了總成本和空間。

3：更高的正向電壓降，在具有較低電壓總線（3.3V）的系統(tǒng)中，二極管中0.4V的典型電壓降將導(dǎo)致下游負(fù)載運(yùn)行的電壓凈空更低。

4：反向漏電流，高壓肖特基二極管的反向漏電流隨著結(jié)溫的升高而急劇增加，導(dǎo)致反向?qū)ㄟ^程中功耗更高。

4.使用離散模塊集集的反向極性保護(hù)

如圖8-4所示，通過用P-MOSFET代替肖特基二極管，其體二極管朝向與與肖特基二極管相同，可以減少二極管的正向壓降。在電池正常工作期間，MOSFET的體二極管正向偏置并導(dǎo)通很短的時(shí)間，直到當(dāng)柵極電壓拉到源極以下時(shí)MOSFET主溝道導(dǎo)通。當(dāng)電池極性反轉(zhuǎn)時(shí)，柵極-源極電壓為正，此時(shí)MOSFET截止，保護(hù)下游電路免受負(fù)電壓的影響。

圖8-4：使用P-MOSFET進(jìn)行反向輸入保護(hù)

反向電池保護(hù)的另一種方法是在低側(cè)使用N-MOSFET，例如在接地回路上，其工作原理類似于圖8-4中的P-MOSFET。在正常工作期間，MOSFET的體二極管正向偏置并導(dǎo)通，直到MOSFET主溝道導(dǎo)通。當(dāng)電池輸入通過限流電阻對(duì)柵極充電時(shí)，MOSFET快速導(dǎo)通，當(dāng)柵極-源極電壓開始低于MOSFET閾值電壓（Vth）并偏置為負(fù)時(shí)，在靜態(tài)反向電池或動(dòng)態(tài)反向電池連接條件下，在電池輸入開始偏置為負(fù)之后，MOSFET關(guān)斷。

圖8-5：使用N-MOSFET的反向輸入保護(hù)

5.反向極性保護(hù)vs反向電流阻斷

反向極性保護(hù)，也稱為反向連接保護(hù)，可防止在反向連接電池或感應(yīng)負(fù)載與電池?cái)嚅_連接期間，輸入端的負(fù)電壓對(duì)負(fù)載造成損壞，反向極性保護(hù)不一定會(huì)阻止反向電流從負(fù)載或下游DC/DC轉(zhuǎn)換器流入電池。

在許多系統(tǒng)中，在電源線短暫中斷或電池輸入短路期間，大的Bulk電容提供足夠的備用電力，以便子系統(tǒng)可以不間斷地運(yùn)行或在關(guān)閉前執(zhí)行維護(hù)任務(wù)，如內(nèi)存轉(zhuǎn)儲(chǔ)。反向電流阻斷防止反向電流從負(fù)載流回電池，并且允許Bulk電容為子系統(tǒng)在各種動(dòng)態(tài)反向電池條件或短暫中斷期間提供額外的備用時(shí)間。

圖8-4或圖8-5所示的反向輸入保護(hù)不會(huì)阻止反向電流（這個(gè)反向電流不是電池反接產(chǎn)生的反向電流，而是電池正常接入，MOS開啟時(shí)其余原因涌入的反向電流）流回電池，因?yàn)镸OSFET是導(dǎo)通的。在圖8-6中，輸入功率從正值變?yōu)樨?fù)值，P-MOSFET在短時(shí)間內(nèi)保持導(dǎo)通，因?yàn)槠銿GS仍需要時(shí)間從負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎担@會(huì)導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)暫時(shí)的負(fù)電壓尖峰。相反，肖特基二極管不斷地阻擋反向電流流入電源，并固有地提供反向極性保護(hù)和反向電流阻擋。

圖8-6：肖特基二極管vsP-MOSFET

6.使用分立MOSFET的缺點(diǎn)

1：缺乏反向電流阻斷，MOSFET不適合具有大Bulk電容的應(yīng)用，使用外部比較器可以阻斷反向電流，但會(huì)增加成本和空間。

2：低輸入電壓下的功耗，P-MOSFET的漏極-源極導(dǎo)通電阻（RDSon）隨著輸入電壓的降低而急劇增加，因?yàn)樽畲髺艠O-源極電壓（VGS）受到輸入電壓范圍的限制。RDSon增加導(dǎo)致的功耗降低了輸入電壓范圍寬的應(yīng)用程序的效率，例如12V的汽車電池電壓可以從冷起動(dòng)條件下的3.5V變化到浪涌起動(dòng)情況下的28V。

3：P-MOSFET的尺寸和成本，對(duì)于更高功率負(fù)載，P-MOSFET的尺寸和成本顯著增加。

4：低側(cè)N-MOSFET，在接通和斷開或負(fù)載電流瞬變期間，幾乎所有系統(tǒng)都不能容忍系統(tǒng)接地電壓的跳躍。

7.使用集成器件進(jìn)行反向極性保護(hù)

理想的二極管控制器和eFuse器件具有集成的反向極性保護(hù)、反向電流阻斷能力和低正向?qū)〒p耗，這使它們能夠提供比肖特基二極管或分立MOSFET解決方案更有效的反向極性保護(hù)。

理想二極管控制器

理想二極管控制器驅(qū)動(dòng)外部N-MOSFET作為理想的二極管工作，具有非常低的正向電壓降和沒有反向電流，圖8-7顯示了使用理想二極管控制器的反極性保護(hù)。

當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，其體二極管會(huì)阻擋反向電流，當(dāng)MOSFET在正向?qū)ㄆ陂g導(dǎo)通時(shí)，正向電壓降和功耗會(huì)顯著降低。理想二極管控制器可以感應(yīng)流經(jīng)MOSFET的反向電流，并很快將其關(guān)閉，從而使體二極管阻斷反向電流。理想二極管控制器提供低調(diào)節(jié)正向電壓、真正的反向電流阻斷、快速反向電流響應(yīng)以及非常低的關(guān)斷電流和工作靜態(tài)電流。

這些特性使理想二極管控制器能夠在反極性保護(hù)應(yīng)用中模擬理想的二極管，圖8-7顯示了理想二極管控制器對(duì)反向連接輸入電源的響應(yīng)。當(dāng)輸入電源線以相反極性連接時(shí)，控制器通過關(guān)斷MOSFET完全阻斷反向電流，輸出不降為負(fù)，而是保持在0V。負(fù)載與反向輸入電源連接隔離，并受到保護(hù)，免受反向電流造成的損壞。

圖8-8：理想二極管控制器對(duì)反向輸入極性的響應(yīng)

動(dòng)態(tài)反向極性響應(yīng)

通過汽車電池供電的汽車子系統(tǒng)在其電源線上會(huì)受到各種電氣瞬態(tài)的影響，而其功能不會(huì)中斷。這樣的瞬態(tài)條件是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO-7637-2脈沖1中規(guī)定的動(dòng)態(tài)反向極性，其中負(fù)將低至–150V的瞬態(tài)電壓施加到具有10Ω阻抗的12V電池供電線上，持續(xù)2ms。

圖8-9顯示了控制器對(duì)其輸入端施加的動(dòng)態(tài)反向極性的響應(yīng)，在施加測(cè)試脈沖之前，MOSFET導(dǎo)通并允許負(fù)載電流通過。當(dāng)在電池輸入端施加ISO-7637-2測(cè)試脈沖1時(shí)，負(fù)載電流開始快速反向，并試圖將輸出電壓拉至負(fù)值?？刂破?a target="_blank">檢測(cè)反向電流，并在0.75μs內(nèi)關(guān)閉MOSFET，以阻斷反向電流并防止輸出變?yōu)樨?fù)，它還可以防止大容量電容放電。

圖8-9：理想二極管控制器對(duì)ISO-7637-2脈沖1的響應(yīng)

使用eFuse進(jìn)行反向極性保護(hù)

eFuse設(shè)備具有完全集成的反向輸入電源保護(hù)功能，無(wú)需額外組件，這些設(shè)備可以承受-60V的反向電壓而不會(huì)損壞。圖8-10將eFuse的反向輸入極性保護(hù)功能與外部肖特基二極管進(jìn)行了比較，集成MOSFET取代了外部阻斷二極管，提供了完全集成的反向電流阻斷和反向極性解決方案。

圖8-10：eFuse的集成反向極性保護(hù)

圖8-11顯示了eFuse對(duì)–57V反向輸入電源的響應(yīng)，eFuse通過在反向輸入電源的情況下關(guān)閉MOSFET來(lái)完全阻斷反向電流，并防止損壞下游電路和組件。

圖8-11：eFuse對(duì)反向輸入電源的響應(yīng)

動(dòng)態(tài)反向極性響應(yīng)

通過外部電源供電的工業(yè)子系統(tǒng)在其電源線上會(huì)受到各種電氣瞬態(tài)的影響，而其功能不會(huì)中斷，在輸入端施加由國(guó)際電工委員會(huì)IEC-61000-4-5規(guī)定的正浪涌和負(fù)浪涌，其中施加低至–500V的負(fù)瞬態(tài)電壓20us。圖8-12顯示了電子保險(xiǎn)絲對(duì)輸入端–500V負(fù)浪涌的響應(yīng)，輸出保護(hù)持續(xù)生效，并且在浪涌事件結(jié)束后可以快速恢復(fù)輸出。

圖8-12：eFuse對(duì)輸入時(shí)-500V浪涌的響應(yīng)

使用理想二極管控制器和eFuse設(shè)備進(jìn)行反向極性保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)包括：

1：提高了效率，較低的正向?qū)〒p耗可以提高效率。

2：集成反向極性和反向電流阻斷功能。

3：降低了系統(tǒng)成本和空間，熱管理比肖特基二極管更簡(jiǎn)單。

結(jié)論：使用基于N-MOSFET的理想二極管控制器和完全集成的eFuse解決方案，可提供強(qiáng)大的反向極性和反向電流阻斷，與分立二極管和FET實(shí)現(xiàn)相比，功耗低、熱性能優(yōu)，節(jié)省空間。