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前端反接保护:实用方案解析与探讨

前端反接保护通常采用肖特基二极管方案或PMOS/NMOS方案,本文另外介绍一种理想二极管方案。

1、肖特基二极管方案

由于肖特基二极管具有正向导通电压,只能用于小电流场合,甚至于直接使用普通的整流二极管。比如1A电流,设D1的正向电压VF = 0.3V,那么其自身功耗P = 1A*0.3V = 0.3W。若为10A就有2W了,发热量变得非常严重。这里未考虑二极管的两端电压实际是会随电流增大而增大的。

2、PMOS/NMOS方案

在大功率场合的应用中,考虑到MOS管的RDS(on)只有毫欧级别的电阻,相对于二极管的VF电压会好很多。

1)PMOS方案工作原理

上电时,通过内部的寄生二极管,Vgs电压大于Vth电压,PMOS管完全导通。

调整R1与R2的比值,使Vgs的电压尽量高,RDS(on)就会更小。

稳压二极管D1作为保护电路,用于避免Vgs超过其击穿电压。

2)NMOS方案工作原理

上电时,通过内部的寄生二极管,Vgs电压大于Vth电压,NMOS管完全导通。

调整R1与R2的比值,使Vgs的电压尽量高,RDS(on)就会更小。

无论是PMOS还是NMOS,都会添加稳压二极管与电阻作为保护电路,但是流过稳压二极管会有漏电流,这会增加整个系统的静态电流Iq,在汽车应用中受到一定的限制。

一些原始设备制造商规定,车辆停放时,其电子控制单元(ECU)的总电流消耗应保持在以下水平:在12V电池供电系统中不超过100µA,而在24V电池供电系统中则不超过500µA

3、理想二极管方案

在前端保护方面,肖特基二极管因其成本低廉和电路设计的简洁性,在小电流应用中表现出色。然而,随着电流强度的增加,该方案的功率损耗和热效应也日益显著,成为其局限性。

对于需要处理较大电流的应用场景,MOSFET电路成为了一个可行的选择,但此时需根据具体的应用需求精心挑选P-FET或N-FET。

P-FET不适用于低压环境,并且不具备输入整流的功能。NMOS相对于PMOS价格相对便宜,且NMOS的RDS(on)更小

传统的两种反接保护方案在应对新型系统对低成本、小体积、低静态电流、高效率及多功能性的需求时显得力不从心。然而,采用能够驱动外部N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的智能理想二极管控制器,则能够完全满足这些要求。

比如 LM74720-Q1,如图 3.1 所示。这些器件集成了所有必要的控制块,用于符合 EMC 标准的电池反向保护设计,并集成了用于驱动高侧外部 MOSFET 的升压稳压器,从而使正常运行期间的 IQ 为27µA。

图3.1 低 IQ 理想二极管(来自于规格书)

再比如MPQ5850-AEC1,它也是一款智能理想二极管控制器,可驱动外部 N-FET ,取代肖特基二极管或 P-FET 实现反向输入保护。该器件集成了内部升压电路,即使在低输入 VBATT条件下,也能提供升压电压导通外部 N-FET。

图3.2 MPQ5850-AEC1功能框图

MPQ5850-AEC1 通过调制外部 N-FET 的栅极将源漏电压(Vsd)调节至 20mV。其 20mV 超低压差可最大限度地减少功耗,并能够轻松检测到微小的负电流。


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