原创 防反保护电路的设计（下篇）

本系列的上、下两篇文章探讨了防反保护电路的设计。 上篇 介绍了各种脉冲干扰以及在汽车电子产品中设计防反保护电路的必要性，同时回顾了 PMOS 方案保护电路的特性；本文为下篇，将讨论使用 NMOS 和升降压驱动 IC 实现的防反保护电路。

NMOS

设计具有 NMOS 和驱动IC 的防反保护电路时，NMOS 需放置在高边，驱动IC也从高边取电，这里将产生一个大于输入电压 (VIN) 的内部电压，给 NMOS 提供 (VGS)驱动供电。
根据驱动电源产生的原理，驱动IC可以采用电荷泵方案或升降压（Buck-Boost）方案。具体描述如下：
● 电荷泵防反保护方案: 电荷泵方案具有较低的总体BOM 需求，从而可降低成本。该方案非常适合小电流应用，例如汽车 USB 供电设备 (PD) 大功率充电模块。
● 升降压防反保护方案: 升降压方案提供强大的驱动能力和出色的EMC 性能。该方案非常适合大电流和高性能环境，例如汽车域控制器和音响系统。
图 1 显示了电荷泵方案与升降压方案的特性。

图 1：电荷泵方案与升降压（Buck-Boost）方案
驱动IC的工作原理
图2显示了具有电荷泵拓扑的NMOS驱动简化工作原理图。

图 2：电荷泵拓扑的工作原理图
CLK周期描述如下：
1. S1和S2导通
2. C0 由内部对地电压源充电
3. S3和S4导通
4. C1 由 C0 上的电压充电
C0 是具有快速充电和放电速度的小电容，而 C1 则是具有大负载能力的大电容。因此，通过S1和S2（以及S3和S4）的频繁切换， C0 上的电荷可以不断传输给 C1，而 C1 的负端连接至电池电压 (VBATT)。最终，NMOS由一个大于 VBATT 的电压驱动。
图 3 显示了具有升降压拓扑的 NMOS 驱动简化工作原理图。

图 3：升降压拓扑的工作原理图
在升降压拓扑中，功率MOSFET放在低边。当 S_BAT 导通时， VIN 对电感充电，电感电压为负；当S_BAT关断时，电感将通过二极管释放能量，电感电压为正，并为 C1充电。当 C1 上的电压超过 VBATT 时，NMOS栅极将被驱动。
升降压驱动 IC 的优势
在防反保护驱动 IC 中采用升降压驱动 IC 有两个明显优势：增强驱动电流能力并提高 EMC 性能。
驱动电流能力
升降压拓扑可以提供更大的驱动电流能力和更快的输入干扰响应能力。例如，输入叠加100kHz，峰峰值2V条件下进行实测。测量结果如图 4所示，其中包含输入防反保护 MOSFET 的源极电压（粉色）、通过防反保护 MOSFET 的漏极电压（浅蓝色）、MOSFET 驱动 VGS （红色）和负载电流（绿色）。

图 4：升降压拓扑的测量波形（叠加交流纹波脉冲 = 100kHz，峰-峰值 = 2V）
波形显示出，驱动IC实时监测了NMOS的漏极与源极。在测试条件下，输入电压 （VIN） 与源极电压 (VS)一致，而系统电压则与漏极电压 (VD)一致。
如果 VS 低于 VD，则 VIN 低于系统电压，MOSFET 驱动关断，体二极管提供防反保护功能防止电容电流回流；如果 VS 超过 VD，则 VIN 超过系统电压，MOSFET 驱动导通，可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。
我们对电荷泵防反保护电路进行测量。测量结果如图 5所示，其中包括防反保护 MOSFET 的输入源极电压（黄色）、输出漏极电压（红色）、驱动 VGS（绿色）和负载电流（蓝色）。

图 5：电荷泵拓扑的测量波形
当栅极驱动脉冲丢失时，MOSFET不会被驱动。与此同时，体二极管导通将导致大量热损耗。而且在导通时，将产生较大的充电电流尖峰。
当栅极驱动脉冲常开的时间内，MOSFET 通常也会导通。与此同时，电解电容会反复充放电，从而导致发热严重。
提升EMC 性能
升降压拓扑还可以提升 EMC 性能。电荷泵虽然没有电感，但它是一种容性开关电源，由于效率低需要极高的工作频率。通常情况下，集成电容小（在 pF 范围内）而外部电容大（在 µF 范围内）。因此，电荷泵的开关频率 (fSW) 常超过 10MHz，这种高频率将导致 EMI 问题。
采用升降压驱动 IC 可提高效率。通过采用固定峰值电流控制，较小负载对应较低的 fSW。因此，升降压拓扑可提升 EMC 性能（参见图 6）。

图 6：升降压拓扑的恒定峰值电流
MPQ5850-AEC1简介
MPQ5850-AEC1 是一款智能二极管控制芯片，它可以替代肖特基二极管，驱动外部 NMOS实现反向输入保护。该器件采用 TSOT23-8 封装，非常适合汽车冷启动条件。
图 7 对电荷泵拓扑与采用升降压拓扑的MPQ5850-AEC1进行了EMC 性能比较。左边的电荷泵拓扑可能会存在潜在的EMC 问题，而右边的MPQ5850-AEC1 方案能完美通过国标等级５测试。

图7：电荷泵拓扑与MPQ5850-AEC1的比较
结语
采用最佳的防反保护电路设计对通过各种脉冲干扰测试标准非常重要。与传统的 PMOS电路相比，NMOS 电路提高了驱动电流能力和 EMC 性能。MPS的 MPQ5850-AEC1 可提供反向输入保护功能并满足EMC标准。欲了解更多详情，请浏览MPS行业领先的 负载开关和控制器相关页面，这些产品均以紧凑的封装提供了易于使用且安全的解决方案。

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