芯洲科技解决方案 :防反,哪种方式更适合你?理想二极管控制器了解一下

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在电源系统中,通常需要设计反极性保护以防止现场电源接线错误,避免电路板器件烧毁。大多数电子元器件不支持电源正负极反接,而肖特基二极管是一个简单而极具性价比的电路防反解决方案。

他利用二极管的单向导电性,不需要额外电路直接传入电源正极,便可以实现防止反向导通,多路供电增加功率容量的效果。但也由于二极管的导通特性,使用其做防反电路,不可避免地会存在较大导通压降、大电流下明显的功率损耗问题,需要增加额外的热管理系统进行散热。

三种防反电路设计比较

在前端电源系统设计中,直接使用电池供电的模块或子系统需要对防止电池反接、或防止在感性负载与电池断开连接期间出现动态反极性条件进行保护设计。尤其在汽车电池供电场景,由于复杂的车身系统引发的电池供电环境更为复杂,加上后期维护、电池重装场景有较高的发生频次,一旦反接将会导致连接的子系统、电路和组件遭到损坏,造成重大损失。

在车辆使用过程中,结合ISO 7637-2或ISO 16750-2等标明的电气瞬变规格,可以更清晰地看到汽车供电干扰状况,如图。

使用二极管防反

以乘用车12V电池系统为例,当12V输入快速反转至-12V时,输出电压保持不变,不会立即截止,因为肖特基二极管会被反向偏置并会使输出与负电压隔开。此时输出端的大容量电容器会阻止输出立即下降,并可在输入电源恢复之前为负载供电一小段时间。

此方案由于二极管特性有如下不足:1.功耗问题:在较高的负载电流下,正向传导会造成显著的功耗;2.散热问题:需要使用散热器或额外的PCB散热设计来管理二极管功耗产生的发热问题,因此会增加成本和空间;3.系统压降问题:系统设计上当输入电压较低时要尽可能维持输出的稳定,特别是在做电压跌落实验时,而二极管的导通压降问题导致DC/DC的实际系统供电芯片的输入电压变的更小。

使用PMOS防反

为了降低二极管的正向压降,可以将肖特基二极管改为使用PMOS方案,典型电路如图:


二极管替换为P沟道MOSFET Q1,并使其体二极管D1与正接导通方向相同。在电池正常工作期间,MOSFET Q1的体二极管D1将被正向偏置,并导通很短的时间,之后栅极电压被拉至源极以下至Vgs(th)开启电压会将MOSFET Q1导通。当电池极性反转时,栅源电压变为正电压,并将MOSFET Q1关断,从而保护下游电路免受负电压的影响。

当然,PMOS防反电路解决了大部分肖特基二极管的防反缺陷,但仍有以下缺点:1.成本及选型:对于高压大电流的PMOS,成本较高且可选的参数规格相对NMOS较少;2.待机功耗:由稳压管和限流电阻构成的Vgs驱动和保护电路都存在漏电流,这样限流电阻R2的选择将影响整体的待机功耗。3.反灌电流:输入电源跌落时,PMOS沟道仍导通,此时系统电容的电压会反灌电源,导致产品的系统掉电,功能中断;在ISO 7637-2输入叠加交流电压测试时,由于PMOS完全导通,同样存在电流反灌的现象,且输出电解电容器的RMS电流会因ESR而在电容器上产生额外的热量。使用NMOS防反在低边串联NMOS的栅极驱动电路简单,且NMOS成本较低,典型电路如图:


由于并非所有系统都能承受开/关或负载电流瞬变期间的系统接地电压跳跃,且这种防反结构使得电源地和负载地被分割,信号的完整性会受到很大的影响,电路的EMC和EMI特性也发生变化,因此在汽车电子产品设计中很少用到。

但是如果使用NMOS在电源正极防反,既可防止输入电源反接,也可阻断反向电流从输出负载流回输入端,这种理想二极管控制器+NMOS显然是更佳解决方案

理想二极管控制器具有低工作静态电流、超低关断电流、稳压正向电压和快速反向电流响应等重要特性,因此能够在各种应用中仿真理想二极管。功率MOSFET 在连接后可确保MOSFET关断时其体二极管会阻断反向电流。由于MOSFET在正向传导期间导通,正向压降和功率耗散将显著降低。理想二极管控制器可检测通过MOSFET的反向电流并将MOSFET关断,从而让体二极管阻断反向电流。

产品解析

芯洲科技SCT53600Q是一颗65V耐压的理想二极管控制器,具有内部电荷泵,可在正常工作期间充分驱动 MOSFET 栅极电平高于阳极,并在检测到反向电流时开启正向比较器并关闭反向电流比较器,以使 MOSFET 体二极管完全阻断反向直流电流。典型应用电路如下图5:

正向导通损耗

同比于肖特基二极管,同样负载10A电流,二极管功耗在5W左右,而一个5mΩ Rds(on)的NMOS的导通损耗只有0.5W,可以节能10倍左右。

快速负载响应在正向压降大于50mV时,控制器具有7mA的峰值源极电流,可以于负载快速瞬变期间为栅极快速充电,从而最大限度地减少电源压降,如图负载从0.1mA轻载快速切换到3A时SCT53600Q的负载瞬态响应:

输入微短路

在输入端出现输入微短路时,SCT53600Q会在1us内快速反应以关断 MOSFET,从而阻止反向电流回流到短路的电源。如图,在输入短路期间,输出会保持开启,输入电容给负载供电直到微短路恢复。

静态反极性

在输入电源反向接入时,SCT53600Q关断状态,以防下游电路和组件遭到损坏,输出电压仍然受到保护,关断波形如图:

动态反极性

基于ISO 7637-2 Pulse1的测试波形,模拟供电突然断开感性负载两端电压会反向施加到产品供电端的情况,可以有效防反,波形如图:

针对需要防止输入反接电源系统中,理想二极管控制器+NMOS的设计方案,可以实现更优的节能设计,反向电流阻断,提高电压输入裕量,尤其是汽车系统中更好的通过ISO 7637-2测试。

责编: 爱集微
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