在汽車裝配、保養(yǎng)與維修的常規(guī)操作中，倘若不慎將汽車電瓶電源線反接，一系列精密的控制器極易遭受反向電壓的沖擊，進(jìn)而導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的損害。

試想一下，您悠然地坐在4S店內(nèi)，喝著咖啡，滿心歡喜地等待愛車保養(yǎng)完成后煥然一新。然而未曾想的是，頃刻間車?yán)锩俺鲆还汕酂?，原來?strong>電池極性接反引發(fā)了故障。這意味著您需要更換更多受損配件以及延長維修周期，真是令人頭大！

因此，為了避免此類意外情況的發(fā)生，確保車載控制系統(tǒng)（ECU）具備反接保護(hù)機(jī)制至關(guān)重要。這一需求恰恰是汽車制造商（OEM）設(shè)定嚴(yán)格防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的根本推動力之一，同時(shí)也是整車電子設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范不可或缺的組成部分。

只有當(dāng)電池防反措施被妥善實(shí)施，才能有效避免因人為疏忽帶來的不可挽回的損失。

除此之外，在汽車行駛期間，汽車電池電壓也并非始終保持穩(wěn)定，而是會遭遇各種瞬態(tài)浪涌電壓。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的EMC標(biāo)準(zhǔn)ISO 7637和ISO 16750，在特定的瞬態(tài)測試條件下，電池電壓可能出現(xiàn)極端情況，其負(fù)向峰值脈沖甚至可能會超過-100V。為確保汽車電子系統(tǒng)的可靠和耐久性，電池防反保護(hù)技術(shù)是不可或缺的。

為了杜絕“一失足成千古恨”的電池反接悲劇，一系列精巧的防反電路應(yīng)運(yùn)而生。其中包括但不限于肖特基二極管、P-MOSFET以及集成智能控制功能的理想二極管等技術(shù)。

今天我們將全面梳理各類防反保護(hù)策略，并深入剖析采用智能二極管控制器相較于傳統(tǒng)前端保護(hù)手段所具有的獨(dú)特優(yōu)勢，以便工程師針對各異的應(yīng)用場景，精準(zhǔn)地甄選最為適宜的防反設(shè)計(jì)方案。

01 肖特基防反方案

肖特基二極作為最簡易的反向電壓防護(hù)組件之一，扮演著至關(guān)重要的角色。在常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)下（如圖1），二極管D1處于正向?qū)顟B(tài)；當(dāng)反向電壓侵襲時(shí)，則迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪蚪刂範(fàn)顟B(tài)。

圖1 基于肖特基二極管的防反保護(hù)電路

值得注意的是，肖特基二極管的特點(diǎn)在于具有恒定且相對較低的正向電壓降，典型值介于0.3V-0.7V之間。盡管這一特性使其在微小電流環(huán)境下表現(xiàn)的游刃有余，但隨著工作電流的增長，二極管上消耗的功率也隨之增加，這也導(dǎo)致了較差的熱性能。因此，該解決方案多被限定在低電流應(yīng)用場景中。

與此同時(shí)，傳統(tǒng)的肖特基二極管因其相對較高的反向漏電特點(diǎn)以及較為陳舊的設(shè)計(jì)架構(gòu)，逐漸暴露出難以適應(yīng)現(xiàn)代化系統(tǒng)嚴(yán)苛要求的局限性。

02 P-FET防反方案

在汽車和工業(yè)領(lǐng)域，采用P溝道MOSFET(P-FET)作為反極性保護(hù)元件的做法相當(dāng)普遍，因?yàn)槠鋵?dǎo)通壓降較小，能夠有效減小功率損耗，故尤其適用于電流較大的系統(tǒng)上。

圖2 基于P-FET的防反保護(hù)電路

P-FET防反電路如圖2所示，在常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)下，電流首先經(jīng)由P-FET的體二極管導(dǎo)通，使得源極（Source）端電壓近似等于電池電壓（VBATT）。此時(shí)，柵極（Gate）電壓為0，與Source端形成負(fù)壓差，促使P-FET（Q1）進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，于是電流便從漏極（Drain）流到源極（Source）。該方案中的鉗位二極管（D1）則可以防止柵極到源極的電壓（Vgs）超過額定電壓，從而保護(hù)P-FET。

當(dāng)系統(tǒng)遭遇反極性電壓狀況時(shí)，鉗位二極管D1正向?qū)ǎ珿ate 端和 Source 端的相對電壓只有0.7V左右，低于P-FET的導(dǎo)通閾值（VTH）。因此Q1會自動關(guān)斷，有效地保護(hù)系統(tǒng)免受反極性電壓引起的損害。

然而P-FET通過簡易方式使其柵極拉低自偏置，這表明P-FET在冷啟動階段表現(xiàn)出較弱的性能。在極端的冷啟動條件下(VBATT會下降至4V以下），由于|Vgs|減小，P-FET的導(dǎo)通電阻會急劇增加（參考圖3所示），導(dǎo)致P-FET兩端的壓降升高，產(chǎn)生較大的功率損耗。同時(shí)，在冷啟動期間，較低的|Vgs|有可能低于P-FET的導(dǎo)通閾值（VTH），導(dǎo)致P-FET關(guān)斷，造成系統(tǒng)重置。

圖3 P-FET的Rdson與|Vgs|的關(guān)系

此外，P-FET解決方案還需要配置包括齊納二極管（D1）和限流電阻器（R1）在內(nèi)的保護(hù)電路，以防止|Vgs|超過其擊穿電壓（BV）。D1和R1均有自身的漏電流，這無疑增加了系統(tǒng)的靜態(tài)電流（IQ）。另外，當(dāng)電池發(fā)生AC震蕩時(shí)，P-FET將完全導(dǎo)通，由此產(chǎn)生的電流，會迫使電解電容器反復(fù)充電和放電，最終可能導(dǎo)致過熱問題。

3 智能理想二極管控制器防反方案

傳統(tǒng)的反極性保護(hù)方案在應(yīng)對現(xiàn)代系統(tǒng)所追求的多重挑戰(zhàn)——如降低成本、縮小空間、提高效率以及增加多功能性上，日益顯得捉襟見肘。因此，一種嶄新的設(shè)計(jì)思路脫穎而出：借助智能理想二極管控制器驅(qū)動外置N溝道MOSFET(N-FET)，以迎合新系統(tǒng)高標(biāo)準(zhǔn)的要求。

為了切實(shí)滿足此類高標(biāo)準(zhǔn)，智能理想二極管被巧妙地布置在系統(tǒng)高側(cè)，并直接從此獲得所需供電電壓。至關(guān)重要的是，控制器內(nèi)置的驅(qū)動電路輸出的驅(qū)動電壓必須超過電池電壓（VBATT）才能有效驅(qū)動高側(cè)N-FET。

為此，目前業(yè)界有兩種方式產(chǎn)生這種驅(qū)動電壓：一是利用電荷泵Charge Pump技術(shù)升高電壓，二是構(gòu)建內(nèi)部升壓電路boost。兩者皆可確保控制器輸出足夠的驅(qū)動電壓控制N-FET。

圖4 智能二極管控制器的Gate驅(qū)動方式

電荷泵

一種基于四個(gè)開關(guān)(S1、S2、S3和S4）構(gòu)建的電荷泵驅(qū)動系統(tǒng)，如圖5所示。其中CT是一種具有快速充放電特性的低值電容器，用于快速存儲和釋放電荷；而CCP作為具有大容量特性的高值電容器，負(fù)責(zé)存儲并穩(wěn)定供應(yīng)電能。當(dāng)時(shí)鐘的脈寬調(diào)制(PWM）信號處于高電平期間，開關(guān)S3和S4處于導(dǎo)通狀態(tài)，內(nèi)部源即對CT充電。當(dāng)PWM信號轉(zhuǎn)換為低電平時(shí)，開關(guān)S3和S4斷開，同時(shí)開關(guān)S1和S2被觸發(fā)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，電容CT將電荷轉(zhuǎn)移至電容CCP中。

該過程通過在S1&S2開關(guān)對以及S3&S4開關(guān)對之間的連續(xù)高頻的切換得以實(shí)現(xiàn)，確保CT中的瞬態(tài)電荷能夠持續(xù)、高效地轉(zhuǎn)移到CCP上。此外，電容CCP的負(fù)極端直接連接到電池電壓（VBATT），使得N-FET能夠在高于VBATT的電壓條件下得到有效的驅(qū)動，保證整個(gè)系統(tǒng)的性能和效率。

圖5 內(nèi)部電荷泵電路

盡管電荷泵技術(shù)展現(xiàn)出一定的應(yīng)用價(jià)值，但是固有的局限性不容忽視。首先，電荷泵效率低且驅(qū)動電流能力較弱，典型上拉電流范圍僅有10mA到30mA。其次，當(dāng)遭遇到如圖6所示的VBATT快速波動時(shí)(ISO 16750-2標(biāo)準(zhǔn)下的輸入疊加高頻AC信號）極易出現(xiàn)柵極驅(qū)動脈沖丟失或者柵極脈沖持續(xù)高電平導(dǎo)通等異?，F(xiàn)象。

圖6 ISO 16750-2中規(guī)定的輸入正弦信號測試

當(dāng)柵極驅(qū)動脈沖意外丟失時(shí)，N-FET進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，其體二極管被迫承擔(dān)起傳導(dǎo)電流的重任，導(dǎo)致大量熱損失，影響效率。當(dāng)柵極驅(qū)動脈沖意外持續(xù)導(dǎo)通時(shí)，N-FET則始終導(dǎo)通，使得輸出電解電容(COUT）反復(fù)充放電，導(dǎo)致電解電容過熱，加速電容性能衰退，甚至可能觸發(fā)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。

此外，盡管電荷泵不需要額外的電感，但作為基于電容技術(shù)的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)?，其故有的低效率特性使得工作頻率(fSW）必須設(shè)置得極高。而且，集成的CT電容值較?。ㄍǔH在pF量級），與之對應(yīng)的外部CCP電容則展現(xiàn)出顯著的大容量特性(常在μF級別）。這種顯著的容量差異直接導(dǎo)致電荷泵的工作頻率fSW通常超過10MHz，不僅帶來嚴(yán)重的電磁干擾(EMI)問題，還會帶來更高的靜態(tài)電流(IQ)。

綜上所述，電荷泵技術(shù)以其顯著降低整體物料(BOM)成本的優(yōu)勢，成為一種頗具吸引力的解決方案。然而對于功率需求較高的應(yīng)用場景其容量的局限性使其難以滿足充足的能量供應(yīng)需求，故在此類高功率應(yīng)用中，電荷泵并非理想之選。

Boost 變換器

Boost變換器解決方案的工作原理如圖7所示。在S1導(dǎo)通期間，電感由VBATT供電，使得電感電流(IL)上升。當(dāng)電感電流(IL)達(dá)到預(yù)設(shè)峰值電流閾值時(shí)，S1斷開。IL通過二極管(D1)續(xù)流，并對電容器(C1)進(jìn)行充電。當(dāng)電容C1兩端的壓差高于N-FET的驅(qū)動閾值電壓時(shí)，N-FET導(dǎo)通，完成驅(qū)動。

圖7 內(nèi)部Boost控制電路

在大功率應(yīng)用場景中驅(qū)動N-FET時(shí)，Boost變換器因其較高的效率備受青睞。其不僅能提供超過100mA的大電流驅(qū)動能力，還展現(xiàn)出對輸入干擾的快速響應(yīng)，具有出色AC整流能力。因此，對于大功率應(yīng)用，推薦采用集成Boost變換器的智能二極管控制器方案。

此外，該Boost變換器采用固定峰值電流模式控制策略，這一特性賦予了其獨(dú)特的動態(tài)行為：隨著負(fù)載的減輕，開關(guān)頻率fSW相應(yīng)降低。鑒于N-FET在正常運(yùn)行時(shí)僅需很小的驅(qū)動電流，因而整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)極低的fSW，進(jìn)而杜絕EMI問題。

面對汽車前端保護(hù)對大電流處理能力、快速的響應(yīng)速度及緊湊布局的嚴(yán)苛需求，MPS推出了基于boost驅(qū)動技術(shù)的MPQ5850-AEC1解決方案，如圖8所示。這款產(chǎn)品專為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)而生，其詳細(xì)的功能特性與應(yīng)用優(yōu)勢將在下一篇文章中逐一揭曉，敬請期待！

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圖8 MPQ5850-AEC1及其典型應(yīng)用電路

總結(jié)

前端防反保護(hù)電路對比見表1。

肖特基二極管憑借其低成本和電路簡潔性，成為低電流場景的理想選擇。然而，隨著電流的增加，其功率損耗與發(fā)熱問題愈發(fā)突出。針對大電流需求，MOSFET電路成為更優(yōu)解，選用P-FET還是N-FET，需要根據(jù)具體應(yīng)用做出選擇。

P-FET受限于無法在低電壓下運(yùn)行及缺乏輸入整流能力，適用范圍有限。

對于N-FET的兩種解決方案，電荷泵驅(qū)動方案雖具有較低的BOM成本，但其EMI性能較差，適合于如汽車USB充電模塊等低電流應(yīng)用。

而對于高性能及大電流環(huán)境，如汽車控制器與音頻系統(tǒng)，推薦采用如MPQ5850-AEC1之類的Boost解決方案。此類方案不僅具備強(qiáng)大的驅(qū)動性能，更展現(xiàn)出卓越的EMI特性，確保系統(tǒng)在嚴(yán)苛條件下穩(wěn)定高效運(yùn)行。

表1 前端防反保護(hù)電路的方案對比

審核編輯：劉清