为反向极性保护设计一个电路

反向极性解决方案被看成是一个迫不得已、不得不做的事情。例如,在汽车系统中,搭线启动期间,防止电池反接或者电缆反向连接很重要,然而系统设计人员也必须忍受反向极性保护出现时的功率损耗。通常情况下,一提到防止反向极性情况,工程师的脑海中首先想到的就是二极管。你是不是觉得有些奇怪,孩子的玩具在装上电池后不工作,但是当你把电池的方向调过来后,玩具突然就好了?嗯,这就是反向极性电路起到的作用,一个简单的二极管就能使你的孩子开心一整天。

现在,我们为什么不能将一个二极管用于需要反向极性保护的所有应用呢?传统二极管上有0.7V的压降,而二极管上的功率损耗为V x I。想象一个要求5A电源的应用。如果使用一个肖特基二极管,那么功率损耗大约为3.5W。除了功率耗散,电路中的可用电压为电源电压减去二极管压降。

在工业和汽车应用中,大多数前端接口要求反向极性保护,而这一保护功能通常由二极管或MOSFET提供。由于它不需要电荷泵,p通道MOSFET一直用于高电流应用。然而,p通道MOSFET的Rds(on) 在低输入电压时变得过高,并且它不能防止反向电流流回到输入端。为了减少静态电流,它还需要额外的电路和信号将其关闭。我们在随后会讨论p通道MOSFET在使用时的其它弊端。

那么我们该如何使用一个简单的n通道MOSFET,并确保我们无需任何的额外电路,而且要使其运行方式与一个二极管的运行方式完全一样,而又不产生功率损耗呢?

这时就有一个智能二极管控制器出现在我们面前,即LM74610-Q1。由于汽车中的很多电子控制模块直接连接至汽车电池,所以这款器件在汽车应用中越来越受到欢迎。任何一个连接至电池的模块需要受到反向电压保护,而反向电压是与错误搭线启动过程相关的常见问题。图1中显示的是一个针对汽车前端系统的应用电路。LM74610-Q1智能二极管控制器,连同一个n通道MOSFET和电荷泵电容器,组成了智能二极管解决方案。

图1:LM74610-Q1智能二极管控制器和n通道MOSFET的典型用例。

对于那些具有低电流要求的模块来说,二极管也许更加实用,而对于所需电流大于2-3A的模块,大多数设计人员将使用一个p通道MOSFET来在反向电压情况出现时提供保护功能。然而,这样的控制电路比较复杂,并且高电流p通道MOSFET也比较昂贵,并且会增加总体系统成本。P通道MOSFET常见的Rds(on) 会在低输入电压时急剧上升,而这一情况在启停应用中很常见。如图2所示,实验室测试已经证明,在低输入电压时,p通道MOSFET具有比肖特基二极管更低的热性能。P通道MOSFET也没有反向电流切断,从而在电压中断、热启动、冷启动和启停情况等典型汽车条件导致的任何输入下降期间,攫取大量的电容器电压。

图2:智能二极管控制器(加上n通道MOSFET)与p通道MOSFET的性能比较图。

ORing应用也需要二极管或MOSFET。汽车领域最近的一个趋势就是使用冗余电池连接—通常为两条已安装保险装置的电源路径—将这两条电源路径置于针对安全关键应用的模块之中。紧急呼叫系统 (E-call) 盒子包含用于正常运行的汽车电池的冗余电源,以及一个备用应急电池,以应对主电池连接脱离的情况。

低电流模块通常将二极管用于ORing。高电流ORing应用需要更加复杂的电路,其中具有很多相关的分立式组件和大型多引脚封装。汽车和工业应用很重视可靠性,从而使设计人员尽可能地减少组件和引脚数量,以降低故障率。

在需要低静态电流流耗的应用中,针对输入保护的以接地为基准的设计方案并不那么实用。汽车排放标准和车辆中数量越来越多的电子模块已经对关闭和接通状态下的电流提出了更加严格的预算要求。通常情况下,每个电子模块的关闭状态可以低至100µA。这也是我们在把汽车停在机场长达2个星期之后仍然能够启动车辆的原因。

LM74610-Q1,连同一个n通道MOSFET能够更好地满足低静态电流的要求。它提供与二极管相类似的反向极性保护,以及在正常极性条件下,类似于MOSFET的性能。由于这个器件无需任何控制信号,LM76410-Q1模拟一个双端子器件,并且不是以接地为基准的。

这个不以接地为基准的主要优势在与,LM76410-Q1消耗的静态电流为零。当施加反向电压时,MOSFET的体二极管并未接通,所以它也不会接通LM74610-Q1。当施加一个正常的极性电压时,这个体二极管导电,内部电荷泵电路以二极管的电压启动,并且生成使MOSFET接通的电压。MOSFET定期(在1%的占空比时)关闭,以重新装满电荷泵。一个受保护电路将在98%占空比上,以固定的时间间隔出现一个0.6V的压降。在将一个2.2µF电容器用作电荷泵电容器时,MOSFET每隔2.6s一次性关闭大约50ms。图3显示的是LM74610-Q1的方框图。

图3:LM74610-Q1方框图

二极管的一个固有属性就是阻断反向电压,并且不让反向电流流过。智能二极管控制器模拟了这个运行方式,并且在反向电流期间具有极快速的关闭时间(通常为2µs)。按照ISO7637,阻断反向电压是通过汽车应用测试的一项重要特性。ISO7637技术规格要求,在由12电源供电运行时,电子模块对于负电压脉冲的影响要做出动态地响应。

对于反向电压的慢速响应会导致输出在脉冲期间变为负值,或者严重放电。如果输出变为负值或者电容器严重放电,那么下游电子元器件就有可能被损坏。为了防止严重放电,可以使用更大的大容量电容器,不过这需要更多的电路板空间,成本也会更高。实验室测试也已经证明,智能二极管控制器要比一个p通道MOSFET的结构快很多。图4显示的是对于反向极性的快速操作相应,并且如图5所示,由于使用了一个小型4.7uF输出电容器,它能够满足ISO7637脉冲1的要求。

图4:LM74610-Q1对于反向电压的响应时间。

图5:智能二极管控制器解决方案—采用4.7uF输出电容器时的ISO脉冲1。

图6:针对智能二极管实现方式的小外形尺寸 (8mm x 12mm)。

LM74610-Q1智能二极管控制器和一个n通道MOSFET组合在一起,形成了一个高效的汽车和工业前端反向极性结构,并且能够从低电流扩展至非常高的电流。图6显示的是可以实现的,用于100W解决方案的小外形尺寸 (117mm2),它的尺寸大约为D2PAK二极管尺寸(180mm2)的60%。

其它资源:

在你的下一个设计中考虑使用LM74610-Q1智能二极管控制器。
使用LM74610-Q1 SPICE模型来分析你的智能二极管控制器设计。

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