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防反，哪種方式更適合你？理想二極管控制器了解一下
時間:2023-12-11
來源: 芯洲科技
在電源系統(tǒng)中，通常需要設(shè)計反極性保護(hù)以防止現(xiàn)場電源接線錯誤，避免電路板器件燒毀。大多數(shù)電子元器件不支持電源正負(fù)極反接，而肖特基二極管是一個簡單而極具性價比的電路防反解決方案。
他利用二極管的單向?qū)щ娦?，不需要額外電路直接傳入電源正極，便可以實現(xiàn)防止反向?qū)?，多路供電增加功率容量的效果。但也由于二極管的導(dǎo)通特性，使用其做防反電路，不可避免地會存在較大導(dǎo)通壓降、大電流下明顯的功率損耗問題，需要增加額外的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行散熱。
三種防反電路設(shè)計比較
在前端電源系統(tǒng)設(shè)計中，直接使用電池供電的模塊或子系統(tǒng)需要對防止電池反接、或防止在感性負(fù)載與電池斷開連接期間出現(xiàn)動態(tài)反極性條件進(jìn)行保護(hù)設(shè)計。尤其在汽車電池供電場景，由于復(fù)雜的車身系統(tǒng)引發(fā)的電池供電環(huán)境更為復(fù)雜，加上后期維護(hù)、電池重裝場景有較高的發(fā)生頻次，一旦反接將會導(dǎo)致連接的子系統(tǒng)、電路和組件遭到損壞，造成重大損失。
在車輛使用過程中，結(jié)合ISO 7637-2或ISO 16750-2等標(biāo)明的電氣瞬變規(guī)格，可以更清晰地看到汽車供電干擾狀況，如圖。
圖1 汽車電池系統(tǒng)供電干擾
方案一：使用二極管防反
以乘用車12V電池系統(tǒng)為例，當(dāng)12V輸入快速反轉(zhuǎn)至-12V時，輸出電壓保持不變，不會立即截止，因為肖特基二極管會被反向偏置并會使輸出與負(fù)電壓隔開。此時輸出端的大容量電容器會阻止輸出立即下降，并可在輸入電源恢復(fù)之前為負(fù)載供電一小段時間。
圖2 肖特基二極管單相導(dǎo)通防反電路
此方案由于二極管特性有如下不足：
1.功耗問題：在較高的負(fù)載電流下，正向傳導(dǎo)會造成顯著的功耗；2.散熱問題：需要使用散熱器或額外的PCB散熱設(shè)計來管理二極管功耗產(chǎn)生的發(fā)熱問題，因此會增加成本和空間；3.系統(tǒng)壓降問題：系統(tǒng)設(shè)計上當(dāng)輸入電壓較低時要盡可能維持輸出的穩(wěn)定，特別是在做電壓跌落實驗時，而二極管的導(dǎo)通壓降問題導(dǎo)致DC/DC的實際系統(tǒng)供電芯片的輸入電壓變的更小。
方案二：使用PMOS防反
為了降低二極管的正向壓降，可以將肖特基二極管改為使用PMOS方案，典型電路如圖：
圖3 PMOS防反電路
二極管替換為P溝道MOSFET Q1，并使其體二極管D1與正接導(dǎo)通方向相同。在電池正常工作期間，MOSFET Q1的體二極管D1將被正向偏置，并導(dǎo)通很短的時間，之后柵極電壓被拉至源極以下至Vgs(th)開啟電壓會將MOSFET Q1導(dǎo)通。當(dāng)電池極性反轉(zhuǎn)時，柵源電壓變?yōu)檎妷?，并將MOSFET Q1關(guān)斷，從而保護(hù)下游電路免受負(fù)電壓的影響。
當(dāng)然，PMOS防反電路解決了大部分肖特基二極管的防反缺陷，但仍有以下缺點：1.成本及選型：對于高壓大電流的PMOS，成本較高且可選的參數(shù)規(guī)格相對NMOS較少；2.待機(jī)功耗：由穩(wěn)壓管和限流電阻構(gòu)成的Vgs驅(qū)動和保護(hù)電路都存在漏電流，這樣限流電阻R2的選擇將影響整體的待機(jī)功耗。3.反灌電流：輸入電源跌落時，PMOS溝道仍導(dǎo)通，此時系統(tǒng)電容的電壓會反灌電源，導(dǎo)致產(chǎn)品的系統(tǒng)掉電，功能中斷；在ISO 7637-2輸入疊加交流電壓測試時，由于PMOS完全導(dǎo)通，同樣存在電流反灌的現(xiàn)象，且輸出電解電容器的RMS電流會因ESR而在電容器上產(chǎn)生額外的熱量。
方案三：使用NMOS防反
在低邊串聯(lián)NMOS的柵極驅(qū)動電路簡單，且NMOS成本較低，典型電路如圖：
圖4 NMOS低邊防反電路
由于并非所有系統(tǒng)都能承受開/關(guān)或負(fù)載電流瞬變期間的系統(tǒng)接地電壓跳躍，且這種防反結(jié)構(gòu)使得電源地和負(fù)載地被分割，信號的完整性會受到很大的影響，電路的EMC和EMI特性也發(fā)生變化，因此在汽車電子產(chǎn)品設(shè)計中很少用到。
但是如果使用NMOS在電源正極防反，既可防止輸入電源反接，也可阻斷反向電流從輸出負(fù)載流回輸入端，這種理想二極管控制器+NMOS顯然是更佳解決方案。
什么是理想二極管控制器？
理想二極管控制器具有低工作靜態(tài)電流、超低關(guān)斷電流、穩(wěn)壓正向電壓和快速反向電流響應(yīng)等重要特性，因此能夠在各種應(yīng)用中仿真理想二極管。功率MOSFET 在連接后可確保MOSFET關(guān)斷時其體二極管會阻斷反向電流。由于MOSFET在正向傳導(dǎo)期間導(dǎo)通，正向壓降和功率耗散將顯著降低。理想二極管控制器可檢測通過MOSFET的反向電流并將MOSFET關(guān)斷，從而讓體二極管阻斷反向電流。
產(chǎn)品解析
芯洲科技SCT53600Q是一顆65V耐壓的理想二極管控制器，具有內(nèi)部電荷泵，可在正常工作期間充分驅(qū)動 MOSFET 柵極電平高于陽極，并在檢測到反向電流時開啟正向比較器并關(guān)閉反向電流比較器，以使 MOSFET 體二極管完全阻斷反向直流電流。典型應(yīng)用電路如下圖5：
圖5 12V電池系統(tǒng)正極防反電路
01 正向?qū)〒p耗
同比于肖特基二極管，同樣負(fù)載10A電流，二極管功耗在5W左右，而一個5mΩ Rds(on)的NMOS的導(dǎo)通損耗只有0.5W，可以節(jié)能10倍左右。
02 快速負(fù)載響應(yīng)
在正向壓降大于50mV時，控制器具有7mA的峰值源極電流，可以于負(fù)載快速瞬變期間為柵極快速充電，從而最大限度地減少電源壓降，如圖負(fù)載從0.1mA輕載快速切換到3A時SCT53600Q的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)：
03 輸入微短路
在輸入端出現(xiàn)輸入微短路時，SCT53600Q會在1us內(nèi)快速反應(yīng)以關(guān)斷 MOSFET，從而阻止反向電流回流到短路的電源。如圖，在輸入短路期間，輸出會保持開啟，輸入電容給負(fù)載供電直到微短路恢復(fù)。
04 靜態(tài)反極性
在輸入電源反向接入時，SCT53600Q關(guān)斷狀態(tài)，以防下游電路和組件遭到損壞，輸出電壓仍然受到保護(hù)，關(guān)斷波形如圖：
05 動態(tài)反極性
基于ISO 7637-2 Pulse1的測試波形，模擬供電突然斷開感性負(fù)載兩端電壓會反向施加到產(chǎn)品供電端的情況，可以有效防反，波形如圖：
針對需要防止輸入反接電源系統(tǒng)中，理想二極管控制器+NMOS的設(shè)計方案，可以實現(xiàn)更優(yōu)的節(jié)能設(shè)計，反向電流阻斷，提高電壓輸入裕量，尤其是汽車系統(tǒng)中更好的通過ISO 7637-2測試。
SCT53600Q
□ AEC-Q100認(rèn)證中：工作環(huán)溫 -40°C ~ 125°C
□ 寬輸入電壓范圍：4.7V ~ 65V
□ –65V反向耐壓
□ 20mV陽極對陰極壓降調(diào)節(jié)
□ 12V外部NMOS高側(cè)驅(qū)動電壓
□ 1μA低關(guān)斷電流 (EN=Low)
□ 60μA靜態(tài)工作電流(EN=High)
□ 2.3A峰值柵極關(guān)斷電流
□ 0.75us快速反向電流關(guān)斷
□ 搭配合適的TVS二極管滿足汽車ISO7637瞬態(tài)要求
□ SOT23-6L 小封裝
