在上期視頻和文章中，我們介紹了汽車電子產(chǎn)品中和防反相關的各種復雜的脈沖測試，常見防反電路的類型，以及采用 PMOS 做防反電路設計時的缺點。

今天我們書接上回，繼續(xù)防反電路 PMOS 的話題。本期為下篇。

在這一期中，我們將介紹采用 “NMOS + 驅(qū)動 IC” 的方案做防反電路的設計及其優(yōu)點。

所謂 “NMOS + 驅(qū)動 IC” 做防反設計，指的是將 NMOS 置于高邊，驅(qū)動 IC 也從高邊取電，內(nèi)部產(chǎn)生一個高于 Vin 的電壓，給 NMOS 提供 Vgs 驅(qū)動供電。

根據(jù)此驅(qū)動電源的產(chǎn)生原理，驅(qū)動 IC 可分為 Charge Pump(電荷泵)型和 Buck-Boost(升降壓)型;

如下圖所示，即為這兩種方案的特點：

采用 Charge Pump 型的防反方案，整體 BOM 少，成本較低，適用于電流不大，追求高性價比的場合，比如汽車 USB-PD 大功率充電模塊等。

采用 Buck-Boost 型的防反方案，IC 的驅(qū)動能力強，EMC 性能好，適用于大電流，追求高性能的場合，比如汽車各類域控制器，汽車音響系統(tǒng)等;

下面我們詳細介紹一下這兩種驅(qū)動 IC 的工作原理。

如下圖所示，這是一個采用電荷泵做 NMOS 驅(qū)動的簡單工作原理。

在 CLK 周期內(nèi)，先令 S1/S2 導通，將內(nèi)部相對于地的電壓源電壓給 C0 充電，然后令 S3/S4 導通，將電容 C0 上的電壓給電容 C1 充電。C0 是小電容，充放電速度快，C1 是大電容，負載能力強，因此通過頻繁地開關 S1/2 和 S3/4，就能不斷地將 C0 上的電荷搬運到 C1 上，而 C1 的負端連接電池電壓，因此我們就得到高于電池的電壓，用來給 NMOS 的門極做驅(qū)動。

如下圖所示，這是一個采用 Buck-Boost 拓撲的 NMOS 驅(qū)動的簡單工作原理。

這種 Buck-Boost 拓撲是將功率 MOS 置于 Low Side 的 Buck-Boost 拓撲。

當 Buck-Boost 的 MOS 管 S_bst 導通時，輸入電壓通過電感儲能，電感電壓上正下負;

當 Buck-Boost 的 MOS 管 S_bst 關斷時，電感通過二極管釋放能量，電感電壓上負下正，給電容 C1 充電;

這樣我們就能在 C1 上獲得高于電池的電壓，用來給 NMOS 的門極做驅(qū)動了。

之前有提到，采用Buck-Boost型防反驅(qū)動IC具有更好的性能優(yōu)勢，這又是為何呢?

這種優(yōu)勢主要體現(xiàn)在如下兩點：

優(yōu)勢一

Buck-Boost 型防反驅(qū)動 IC 具有更大的驅(qū)動電流能力，能更快的響應輸入各種擾動。

我們用輸入疊加高頻交流紋波脈沖舉例說明。

上圖是輸入疊加100kHz，峰峰值2V條件下的實測波形;紫紅色是輸入防反 MOSFET 的 SOURCE 極電壓，淺藍色是經(jīng)過防反 MOSFET 的 DRAIN 極電壓，紅色是 MOSFET 驅(qū)動 Vgs 電壓，綠色是負載電流。

可以看到，驅(qū)動 IC 實時監(jiān)測 NMOS 的漏極和源極。輸入電壓和源極電壓一致，系統(tǒng)電壓和漏極電壓一致。當源極電壓低于漏極電壓，即輸入電壓低于系統(tǒng)電壓時，關閉 MOSFET 驅(qū)動，體二極管實現(xiàn)防反功能，防止電容電流反灌;當源極電壓高于漏極電壓，即輸入電壓高于系統(tǒng)電壓時，導通 MOSFET 驅(qū)動，避免體二極管導通，影響效率。

如果采用電荷泵型防反驅(qū)動，由于其驅(qū)動電流能力不強，在輸入電壓快速波動時，容易產(chǎn)生門極驅(qū)動脈沖丟失或者常開的異?，F(xiàn)象。

下圖是實測采用電荷泵型防反驅(qū)動的波形，黃色是防反 MOSFET 的輸入SOURCE 極電壓，紅色是 MOSFET 的輸出 DRAIN 極電壓，綠色是 MOSFET 的驅(qū)動 Vgs，藍色是負載電流。

在門極驅(qū)動脈沖丟失的時間內(nèi)，MOS 無驅(qū)動，體二極管導通，存在巨大熱損耗，同時在下一次開通瞬間，存在較大的充電電流尖峰;

在門極驅(qū)動脈沖常開的時間內(nèi)，MOS 常通，電解電容反復充放電，導致發(fā)熱嚴重。

優(yōu)勢二

Buck-Boost 型防反驅(qū)動 IC 具有更好的 EMC 性能。

可能有工程師會質(zhì)疑，采用 Buck-Boost 這種開關電源拓撲，是否會有 EMC 的問題呢?

其實恰恰相反，電荷泵雖然沒有電感，但它是電容式開關電源，電荷泵由于效率低，所以需要很高的工作頻率。一般而言，芯片內(nèi)部集成的電容容值不大，是 pF 級，而芯片外用于給 NMOS 做驅(qū)動的電容，需要容值較大，是 uF 級。這樣我們的 Charge Pump 開關頻率不可避免在10M以上，而這樣的高頻，就有可能帶來 EMI 的潛在威脅。

采用 Buck-Boost 拓撲的防反驅(qū)動，其效率遠高于電荷泵拓撲。且這類驅(qū)動 IC 內(nèi)部一般采用定峰值電流控制模式，這種模式在負載越輕的時候，開關頻率越低。因此，Buck-Boost 拓撲的防反驅(qū)動具有更好的 EMC 性能。

如下圖所示，右邊是 MPS 最新推出的采用 Buck-Boost 型拓撲的防反驅(qū)動 IC，MPQ5850，其 EMC 測試結果能完美通過國標等級5的測試。

關于汽車電子產(chǎn)品中防反電路的設計，現(xiàn)在你應該了解了吧。

原文標題：MPS 電源小課堂第三季第二話：防反電路一定要用 PMOS 嗎?(下)

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