防反保護電路的設計（下篇）

本系列的上、下兩篇文章探討了防反保護電路的設計。 上篇 介紹了各種脈沖干擾以及在汽車電子產品中設計防反保護電路的必要性，同時回顧了 PMOS 方案保護電路的特性；本文為下篇，將討論使用 NMOS 和升降壓驅動 IC 實現的防反保護電路。

NMOS

設計具有 NMOS 和驅動IC 的防反保護電路時，NMOS 需放置在高邊，驅動IC也從高邊取電，這里將產生一個大于輸入電壓 (VIN) 的內部電壓，給 NMOS 提供 (VGS)驅動供電。

根據驅動電源產生的原理，驅動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用，例如汽車 USB 供電設備 (PD) 大功率充電模塊。

●    升降壓防反保護方案: 升降壓方案提供強大的驅動能力和出色的EMC 性能。該方案非常適合大電流和高性能環境，例如汽車域控制器和音響系統。

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

驅動IC的工作原理

圖2顯示了具有電荷泵拓撲的NMOS驅動簡化工作原理圖。

圖 2：電荷泵拓撲的工作原理圖

CLK周期描述如下：

1. S1和S2導通

2. C0 由內部對地電壓源充電

3. S3和S4導通

4. C1 由 C0 上的電壓充電

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 的負端連接至電池電壓 (VBATT)。最終，NMOS由一個大于 VBATT 的電壓驅動。

圖 3 顯示了具有升降壓拓撲的 NMOS 驅動簡化工作原理圖。

圖 3：升降壓拓撲的工作原理圖

在升降壓拓撲中，功率MOSFET放在低邊。當 S_BAT 導通時， VIN 對電感充電，電感電壓為負；當S_BAT關斷時，電感將通過二極管釋放能量，電感電壓為正，并為 C1充電。當 C1 上的電壓超過 VBATT 時，NMOS柵極將被驅動。

升降壓驅動 IC 的優勢

在防反保護驅動 IC 中采用升降壓驅動 IC 有兩個明顯優勢：增強驅動電流能力并提高 EMC 性能。

驅動電流能力

升降壓拓撲可以提供更大的驅動電流能力和更快的輸入干擾響應能力。例如，輸入疊加100kHz，峰峰值2V條件下進行實測。測量結果如圖 4所示，其中包含輸入防反保護 MOSFET 的源極電壓（粉色）、通過防反保護 MOSFET 的漏極電壓（淺藍色）、MOSFET 驅動 VGS （紅色）和負載電流（綠色）。

圖 4：升降壓拓撲的測量波形（疊加交流紋波脈沖 = 100kHz，峰-峰值 = 2V）

波形顯示出，驅動IC實時監測了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，而系統電壓則與漏極電壓 (VD)一致。

如果 VS 低于 VD，則 VIN 低于系統電壓，MOSFET 驅動關斷，體二極管提供防反保護功能防止電容電流回流；如果 VS 超過 VD，則 VIN 超過系統電壓，MOSFET 驅動導通，可避免體二極管導通影響效率。

如果采用電荷泵型防反驅動，由于其驅動電流能力不強，在輸入電壓快速波動時，容易產生門極驅動脈沖丟失或者常開的異常現象。

我們對電荷泵防反保護電路進行測量。測量結果如圖 5所示，其中包括防反保護 MOSFET 的輸入源極電壓（黃色）、輸出漏極電壓（紅色）、驅動 VGS（綠色）和負載電流（藍色）。

圖 5：電荷泵拓撲的測量波形

當柵極驅動脈沖丟失時，MOSFET不會被驅動。與此同時，體二極管導通將導致大量熱損耗。而且在導通時，將產生較大的充電電流尖峰。

當柵極驅動脈沖常開的時間內，MOSFET 通常也會導通。與此同時，電解電容會反復充放電，從而導致發熱嚴重。

提升EMC 性能

升降壓拓撲還可以提升 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，集成電容小（在 pF 范圍內）而外部電容大（在 μF 范圍內）。因此，電荷泵的開關頻率 (fSW) 常超過 10MHz，這種高頻率將導致 EMI 問題。

采用升降壓驅動 IC 可提高效率。通過采用固定峰值電流控制，較小負載對應較低的 fSW。因此，升降壓拓撲可提升 EMC 性能（參見圖 6）。

圖 6：升降壓拓撲的恒定峰值電流

MPQ5850-AEC1簡介

MPQ5850-AEC1 是一款智能二極管控制芯片，它可以替代肖特基二極管，驅動外部 NMOS實現反向輸入保護。該器件采用 TSOT23-8 封裝，非常適合汽車冷啟動條件。

圖 7 對電荷泵拓撲與采用升降壓拓撲的MPQ5850-AEC1進行了EMC 性能比較。左邊的電荷泵拓撲可能會存在潛在的EMC 問題，而右邊的MPQ5850-AEC1 方案能完美通過國標等級５測試。

圖7：電荷泵拓撲與MPQ5850-AEC1的比較

結語

采用最佳的防反保護電路設計對通過各種脈沖干擾測試標準非常重要。與傳統的 PMOS電路相比，NMOS 電路提高了驅動電流能力和 EMC 性能。MPS的 MPQ5850-AEC1 可提供反向輸入保護功能并滿足EMC標準。欲了解更多詳情，請瀏覽MPS行業領先的 負載開關和控制器相關頁面，這些產品均以緊湊的封裝提供了易于使用且安全的解決方案。