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MPS | 防反电路一定要用 PMOS 吗?

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汽车电源系统是极其恶劣的系统,数以百计的负载挂在汽车电池上,同一时刻这些负载的工作状态各不相同,也无法确定。

汽车电源系统是极其恶劣的系统,数以百计的负载挂在汽车电池上,同一时刻这些负载的工作状态各不相同,也无法确定。

因此,设计时需要考虑这些负载处于不同工况时,处于各种潜在故障状态下,电源线所产生的各种脉冲可能带来的影响。

下图就描述了不同应用场景下,电源线上可能出现的各类脉冲。

比如,当突然关闭大功率负载时,电池电压会出现过冲;当突然启动大功率负载时,电池电压会出现跌落;当感性线束突然出现松动时,负载会看到负向电压脉冲;当汽车发电机工作时,会在电池上叠加交流纹波;甚至,当出现道路救援时,备用电池可能出现极性反接的错误操作,此时电池电压极性长时间反接。


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为了覆盖这些汽车电源线上可能存在的各种脉冲干扰,行业协会和各大整车厂纷纷制定了相关的测试标准,用来模拟电源线瞬态脉冲。比如 ISO7637-2,ISO16750-2,还有奔驰和大众等车厂测试标准等。防反电路作为最前端的电路,在实现防反功能的同时,还需要满足上述各种测试标准。

了解完汽车相关测试标准后,我们来看一下防反电路的基本类型:


1.串联肖特基二极管

这种方式的优点是简单,成本低,但损耗较大。一般用于电流不超过 2-3A 的小电流应用。


2.在高边串联 PMOS

这种方式的驱动电路简单,当电源正接时,PMOS 沟道导通,管压降小,损耗和温升低,当电源反接时,PMOS 沟道关闭,寄生体二极管实现防反的功能。缺点是,PMOS 成本较高。一般用于电流超过 3A 以上的大电流应用场合。


3.在低边串联 NMOS

这种方式栅极驱动电路简单,且 NMOS 成本较低。其工作原理和 PMOS 类似。但由于这种防反结构使得电源地和负载地被分割,在汽车电子产品设计中,很少用到。


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下面我们来详细介绍 PMOS 的防反电路设计。

如下是最传统的采用 PMOS 做防反功能的电路单元,PMOS 的门级接电阻到地。当输入端接正向电压时,电流流过 PMOS 的体二极管到负载端,当正向电压高于 PMOS 门限阈值电压,则会导通沟道,PMOS 的 Vds 压降降低,从而实现低损耗。一般我们会在门级和源极之间接稳压管,防止输入电源波动时,栅源极 Vgs 出现过压,击穿 PMOS;

但基本 PMOS 防反电路具有如下两个缺点:


01系统待机电流较大


PMOS防反单元电路,自始至终,由稳压管和限流电阻构成的Vgs驱动和保护电路都存在暗电流,这样限流电阻R的选择将影响整体的待机功耗;

限流电阻R的取值不宜过大。一方面,普通稳压管的正常钳位电流基本为mA级,如果限流电阻过大,稳压管没办法可靠导通,其钳位的性能大打折扣,Vgs存在过压的风险;另一方面,限流电阻越大,PMOS的驱动电流越小,其开通和关断的过程就越慢,当输入存在电压波动的时候,PMOS可能长时间存在于线性区,导致PMOS出现过温的问题。


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02存在反灌电流


采用基本 PMOS 做防反电路设计,在做输入电源跌落测试时,随着输入电压跌落,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。在做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,导致电解电容反复充放电,电解电容存在过热隐患。


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所谓 “NMOS + 驱动 IC” 做防反设计,指的是将 NMOS 置于高边,驱动 IC 也从高边取电,内部产生一个高于 Vin 的电压,给 NMOS 提供 Vgs 驱动供电。

根据此驱动电源的产生原理,驱动 IC 可分为 Charge Pump(电荷泵)型和 Buck-Boost(升降压)型;

如下图所示,即为这两种方案的特点:

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  •  采用 Charge Pump 型的防反方案,整体 BOM 少,成本较低,适用于电流不大,追求高性价比的场合,比如汽车 USB-PD 大功率充电模块等。

  • 采用 Buck-Boost 型的防反方案,IC 的驱动能力强,EMC 性能好,适用于大电流,追求高性能的场合,比如汽车各类域控制器,汽车音响系统等;

下面我们详细介绍一下这两种驱动 IC 的工作原理。

如下图所示,这是一个采用电荷泵做 NMOS 驱动的简单工作原理。


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在 CLK 周期内,先令 S1/S2 导通,将内部相对于地的电压源电压给 C0 充电,然后令 S3/S4 导通,将电容 C0 上的电压给电容 C1 充电。C0 是小电容,充放电速度快,C1 是大电容,负载能力强,因此通过频繁地开关 S1/2 和 S3/4,就能不断地将 C0 上的电荷搬运到 C1 上,而 C1 的负端连接电池电压,因此我们就得到高于电池的电压,用来给 NMOS 的门极做驱动。

如下图所示,这是一个采用 Buck-Boost 拓扑的 NMOS 驱动的简单工作原理。


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这种 Buck-Boost 拓扑是将功率 MOS 置于 Low Side 的 Buck-Boost 拓扑。

当 Buck-Boost 的 MOS 管 S_bst 导通时,输入电压通过电感储能,电感电压上正下负;

当 Buck-Boost 的 MOS 管 S_bst 关断时,电感通过二极管释放能量,电感电压上负下正,给电容 C1 充电;

这样我们就能在 C1 上获得高于电池的电压,用来给 NMOS 的门极做驱动了。

之前有提到,采用Buck-Boost型防反驱动IC具有更好的性能优势,这又是为何呢?

这种优势主要体现在如下两点:


优势一

Buck-Boost 型防反驱动 IC 具有更大的驱动电流能力,能更快的响应输入各种扰动。

我们用输入叠加高频交流纹波脉冲举例说明。

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上图是输入叠加100kHz,峰峰值2V条件下的实测波形;紫红色是输入防反 MOSFET 的 SOURCE 极电压,浅蓝色是经过防反 MOSFET 的 DRAIN 极电压,红色是 MOSFET 驱动 Vgs 电压,绿色是负载电流。

可以看到,驱动 IC 实时监测 NMOS 的漏极和源极。输入电压和源极电压一致,系统电压和漏极电压一致。当源极电压低于漏极电压,即输入电压低于系统电压时,关闭 MOSFET 驱动,体二极管实现防反功能,防止电容电流反灌;当源极电压高于漏极电压,即输入电压高于系统电压时,导通 MOSFET 驱动,避免体二极管导通,影响效率。

如果采用电荷泵型防反驱动,由于其驱动电流能力不强,在输入电压快速波动时,容易产生门极驱动脉冲丢失或者常开的异常现象。

下图是实测采用电荷泵型防反驱动的波形,黄色是防反 MOSFET 的输入SOURCE 极电压,红色是 MOSFET 的输出 DRAIN 极电压,绿色是 MOSFET 的驱动 Vgs,蓝色是负载电流。


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在门极驱动脉冲丢失的时间内,MOS 无驱动,体二极管导通,存在巨大热损耗,同时在下一次开通瞬间,存在较大的充电电流尖峰;

在门极驱动脉冲常开的时间内,MOS 常通,电解电容反复充放电,导致发热严重。


优势二


Buck-Boost 型防反驱动 IC 具有更好的 EMC 性能。

可能有工程师会质疑,采用 Buck-Boost 这种开关电源拓扑,是否会有 EMC 的问题呢?

其实恰恰相反,电荷泵虽然没有电感,但它是电容式开关电源,电荷泵由于效率低,所以需要很高的工作频率。一般而言,芯片内部集成的电容容值不大,是 pF 级,而芯片外用于给 NMOS 做驱动的电容,需要容值较大,是 uF 级。这样我们的 Charge Pump 开关频率不可避免在10M以上,而这样的高频,就有可能带来 EMI 的潜在威胁。

采用 Buck-Boost 拓扑的防反驱动,其效率远高于电荷泵拓扑。且这类驱动 IC 内部一般采用定峰值电流控制模式,这种模式在负载越轻的时候,开关频率越低。因此,Buck-Boost 拓扑的防反驱动具有更好的 EMC 性能。


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如下图所示,右边是 MPS 最新推出的采用 Buck-Boost 型拓扑的防反驱动 IC,MPQ5850,其 EMC 测试结果能完美通过国标等级5的测试。


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