汽车电子硬件电源入口:防反接电路的设计与应用

出处:网络整理时间:2025-05-15
在汽车电子硬件电路设计中,电源入口处的防反接电路设计至关重要。接下来,我们将详细探讨为何要设计防反接电路以及具体的设计方式。

设计防反接电路的原因


电源入口处的接线及线束制作通常由人工操作,这就存在正负极接反的可能性。一旦正负极接反,很可能会损坏电源和负载电路。此外,汽车电子产品电性能测试标准 ISO16750 - 2 的 4.7 节包含了电压极性反接测试,汽车电子产品必须通过该项测试,这也使得防反接电路的设计成为必要。

防反接电路设计


  1. 基础版:二极管
    串联二极管是实现防反接简单的电路形式。由于电源存在电源路径(即正极)和返回路径(即负极,GND),所以用二极管实现的防反接电路既可以串接在电源正极,也可以串接在电源负极,如下图所示:

    这两种方式成本较低,但存在明显的局限性和缺点。二极管有正向导通压降,若串联在电源路径上,负载电路入口处的电压会比电源输出电压低;若串联在返回路径上,负载电路的 GND 与电源的 GND 会存在压差。而且,二极管的通流能力有限,无法应对较大电流的负载电路,同时发热严重,存在过热风险。若使用二极管无法满足实际需求,则可考虑后面的两种设计方式。
  2. 基础版 plus:MOSFET
    MOSFET 具有导通压降小、导通阻抗低的优点,能够解决二极管防反电路的部分缺点。和二极管一样,MOSFET 也有电源路径和返回路径两种设计方式,如下图所示:

    由于 MOSFET 自身特性,若仅使用单个 FET 进行电路设计,电源路径上只能使用 PMOS,返回路径只能使用 NMOS。与二极管相比,它们具有更小的导通压降、更低的温升和更大的通流能力(大部分情况)。不过,PMOS 和 NMOS 也各自存在缺点。同样尺寸的 PMOS 与 NMOS 相比,PMOS 的 Rdson 更大,在同样性能要求下,PMOS 会比 NMOS 更贵,尤其是在大电流电路中,常常需要多个 MOSFET 并联以实现更大的通流,成本差异会更明显。而 NMOS 防反接电路只能放在返回路径上,和二极管放在返回路径上一样,仍存在导通压降(虽然小了很多),导致地平面不是处处电压相等。那么,有没有一种方式既能使用成本较低的 NMOS,又能避免地平面电压不一致的问题呢?答案是结合起来,将 NMOS 放到电源路径上(高边),然后用更高的电压驱动 NMOS 打开。
  3. 进阶版:NMOS + FET controller
    FET controller 有多种选择,并且除了防反接功能外,还有其他功能。以 TI 的 LM5050 - 1 - Q1 芯片为例,它的经典应用电路如下:

    其内部结构如下:

    电源上电时,电压通过 NMOS 的体二极管流向芯片的 OUT 及 VS 引脚(因此选择 MOSFET 时,通流能力不仅要看 ID,还要看 Is,即连续源极电流)。VS 引脚内部是电荷泵,当输入电压及其他条件(如使能等)均满足时,芯片会通过电荷泵给其 GATE 引脚(即外部 NMOS 的栅极)充电,这会增加芯片 IN 引脚和 GATE 引脚之间的压差,也就是 NMOS 栅极和源极之间的压差。当压差增大到一定程度后,NMOS 就会被打开,电源将通过 NMOS 的 Rds 流向负载,而不再经过 NMOS 的体二极管,从而降低了电源路径上的压降。至此,一个较为合格的基础防反接电路(压降小、成本低、通流能力强)就完成了。这里以 LM5050 - 1 - Q1 为例,它驱动栅极的方式是电荷泵,主要目的是将 NMOS 的栅极电压抬高到比源极更高。除了电荷泵,还有一种抬高电压的方式是升压调节器。LM74722 - Q1 就是采用这种方式,它的经典应用电路及框图如下:



    电荷泵和升压调节器这两种驱动方式相比,升压调节器成本更高,但具有更强的驱动能力和更好的电磁兼容性(EMC)性能。

其他功能


  1. ENABLE/OFF
    这是一个比较基础的功能,用于控制 FET controller 是否工作。
  2. 开关功能
    例如上面提到的 LM5050 - 1 - Q1,MOSFET 打开只是降低电源路径的压降、减少损耗,但即使 MOSFET 关掉,供电电源的电流仍会通过体二极管流向负载。不过,有些 FET controller 可以顺带实现开关功能,即 MOSFET 未打开时,不会有电流流向负载。实现这个功能的方法是放置一个与当前 NMOS 背对背的 NMOS,如下图所示:

    红框中的 NMOS 的体二极管与它右侧的 NMOS 相反,这样就能阻止电流直接从电源流向负载。
  3. 欠压 / 过压保护(UV/OV protection)
    这个功能比较容易实现,在内部增加比较器即可,如上图的 LM74502 - Q1 就具备此功能。
  4. 反向电流阻断(reverse current block)
    反向电流阻断与反向极性保护情况不同,主要是触发条件不同。反向极性保护是由于电源正负极接反,导致电流可能反向流动而进行保护;而反向电流阻断是在电源正负极没有接反且功能正常运行时,Cout 有了稳定的电压(例如 14V),但供电电源因某些原因(如进行电性能测试、ESD 测试、雷击等,具体见汽车电子产品硬件电路设计 —— 电源入口处 TVS 选择)瞬间跌落,此时输入电压跌至<14V,而 VOUT 部分由于有 Cout 的存在,从原本的 14V 开始放电,导致 VOUT>VBATT,如下图所示:

    此时两个 NMOS 还处于打开状态,就会有电流从 VOUT 流向 VBAT,从而发生电流倒灌。这种电流倒灌可能会对供电电源产生危害,或者损坏 NMOS(具体见相关链接)。目前常见的处理方式是使用比较器,如 LM74700,其内部结构如下:




  5. 输入电压和输出电压会分别通过 ANODE 和 CATHODE 引脚进入芯片,进入一个 - 11mV 的比较器。如果检测到输入电压比输出电压低 11mV 以上,芯片会立即关掉外部 NMOS(响应速度一般不超过 1μs),这样反向电流就会被 NMOS 上的体二极管阻断。
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