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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