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為反向極性保護設計一個電路

發(fā)布時間:2021-05-11 責任編輯:wenwei

【導讀】反向極性解決方案被看成是一個迫不得已、不得不做的事情。例如,在汽車系統(tǒng)中,搭線啟動期間,防止電池反接或者電纜反向連接很重要,然而系統(tǒng)設計人員也必須忍受反向極性保護出現(xiàn)時的功率損耗。通常情況下,一提到防止反向極性情況,工程師的腦海中首先想到的就是二極管。
 
你是不是覺得有些奇怪,孩子的玩具在裝上電池后不工作,但是當你把電池的方向調過來后,玩具突然就好了?嗯,這就是反向極性電路起到的作用,一個簡單的二極管就能使你的孩子開心一整天。
 
現(xiàn)在,我們?yōu)槭裁床荒軐⒁粋€二極管用于需要反向極性保護的所有應用呢?傳統(tǒng)二極管上有0.7V的壓降,而二極管上的功率損耗為V x I。想象一個要求5A電源的應用。如果使用一個肖特基二極管,那么功率損耗大約為3.5W。除了功率耗散,電路中的可用電壓為電源電壓減去二極管壓降。
 
在工業(yè)和汽車應用中,大多數(shù)前端接口要求反向極性保護,而這一保護功能通常由二極管或MOSFET提供。由于它不需要電荷泵,p通道MOSFET一直用于高電流應用。然而,p通道MOSFET的Rds(on) 在低輸入電壓時變得過高,并且它不能防止反向電流流回到輸入端。為了減少靜態(tài)電流,它還需要額外的電路和信號將其關閉。我們在隨后會討論p通道MOSFET在使用時的其它弊端。
 
那么我們該如何使用一個簡單的n通道MOSFET,并確保我們無需任何的額外電路,而且要使其運行方式與一個二極管的運行方式完全一樣,而又不產(chǎn)生功率損耗呢?
 
這時就有一個智能二極管控制器出現(xiàn)在我們面前,即LM74610-Q1。由于汽車中的很多電子控制模塊直接連接至汽車電池,所以這款器件在汽車應用中越來越受到歡迎。任何一個連接至電池的模塊需要受到反向電壓保護,而反向電壓是與錯誤搭線啟動過程相關的常見問題。圖1中顯示的是一個針對汽車前端系統(tǒng)的應用電路。LM74610-Q1智能二極管控制器,連同一個n通道MOSFET和電荷泵電容器,組成了智能二極管解決方案。
 
為反向極性保護設計一個電路
圖1:LM74610-Q1智能二極管控制器和n通道MOSFET的典型用例。
 
對于那些具有低電流要求的模塊來說,二極管也許更加實用,而對于所需電流大于2-3A的模塊,大多數(shù)設計人員將使用一個p通道MOSFET來在反向電壓情況出現(xiàn)時提供保護功能。然而,這樣的控制電路比較復雜,并且高電流p通道MOSFET也比較昂貴,并且會增加總體系統(tǒng)成本。P通道MOSFET常見的Rds(on) 會在低輸入電壓時急劇上升,而這一情況在啟停應用中很常見。如圖2所示,實驗室測試已經(jīng)證明,在低輸入電壓時,p通道MOSFET具有比肖特基二極管更低的熱性能。P通道MOSFET也沒有反向電流切斷,從而在電壓中斷、熱啟動、冷啟動和啟停情況等典型汽車條件導致的任何輸入下降期間,攫取大量的電容器電壓。
 
為反向極性保護設計一個電路
圖2:智能二極管控制器(加上n通道MOSFET)與p通道MOSFET的性能比較圖。
 
ORing應用也需要二極管或MOSFET。汽車領域最近的一個趨勢就是使用冗余電池連接—通常為兩條已安裝保險裝置的電源路徑—將這兩條電源路徑置于針對安全關鍵應用的模塊之中。緊急呼叫系統(tǒng) (E-call) 盒子包含用于正常運行的汽車電池的冗余電源,以及一個備用應急電池,以應對主電池連接脫離的情況。
 
低電流模塊通常將二極管用于ORing。高電流ORing應用需要更加復雜的電路,其中具有很多相關的分立式組件和大型多引腳封裝。汽車和工業(yè)應用很重視可靠性,從而使設計人員盡可能地減少組件和引腳數(shù)量,以降低故障率。
 
在需要低靜態(tài)電流流耗的應用中,針對輸入保護的以接地為基準的設計方案并不那么實用。汽車排放標準和車輛中數(shù)量越來越多的電子模塊已經(jīng)對關閉和接通狀態(tài)下的電流提出了更加嚴格的預算要求。通常情況下,每個電子模塊的關閉狀態(tài)可以低至100µA。這也是我們在把汽車停在機場長達2個星期之后仍然能夠啟動車輛的原因。
 
LM74610-Q1,連同一個n通道MOSFET能夠更好地滿足低靜態(tài)電流的要求。它提供與二極管相類似的反向極性保護,以及在正常極性條件下,類似于MOSFET的性能。由于這個器件無需任何控制信號,LM76410-Q1模擬一個雙端子器件,并且不是以接地為基準的。
 
這個不以接地為基準的主要優(yōu)勢在與,LM76410-Q1消耗的靜態(tài)電流為零。當施加反向電壓時,MOSFET的體二極管并未接通,所以它也不會接通LM74610-Q1。當施加一個正常的極性電壓時,這個體二極管導電,內(nèi)部電荷泵電路以二極管的電壓啟動,并且生成使MOSFET接通的電壓。MOSFET定期(在1%的占空比時)關閉,以重新裝滿電荷泵。一個受保護電路將在98%占空比上,以固定的時間間隔出現(xiàn)一個0.6V的壓降。在將一個2.2µF電容器用作電荷泵電容器時,MOSFET每隔2.6s一次性關閉大約50ms。圖3顯示的是LM74610-Q1的方框圖。
 
為反向極性保護設計一個電路
圖3:LM74610-Q1方框圖
 
二極管的一個固有屬性就是阻斷反向電壓,并且不讓反向電流流過。智能二極管控制器模擬了這個運行方式,并且在反向電流期間具有極快速的關閉時間(通常為2µs)。按照ISO7637,阻斷反向電壓是通過汽車應用測試的一項重要特性。ISO7637技術規(guī)格要求,在由12電源供電運行時,電子模塊對于負電壓脈沖的影響要做出動態(tài)地響應。
 
對于反向電壓的慢速響應會導致輸出在脈沖期間變?yōu)樨撝?,或者嚴重放電。如果輸出變?yōu)樨撝祷蛘唠娙萜鲊乐胤烹?,那么下游電子元器件就有可能被損壞。為了防止嚴重放電,可以使用更大的大容量電容器,不過這需要更多的電路板空間,成本也會更高。實驗室測試也已經(jīng)證明,智能二極管控制器要比一個p通道MOSFET的結構快很多。圖4顯示的是對于反向極性的快速操作相應,并且如圖5所示,由于使用了一個小型4.7uF輸出電容器,它能夠滿足ISO7637脈沖1的要求。
 
為反向極性保護設計一個電路
圖4:LM74610-Q1對于反向電壓的響應時間。
 
為反向極性保護設計一個電路
圖5:智能二極管控制器解決方案—采用4.7uF輸出電容器時的ISO脈沖1。
 
為反向極性保護設計一個電路
圖6:針對智能二極管實現(xiàn)方式的小外形尺寸 (8mm x 12mm)。
 
LM74610-Q1智能二極管控制器和一個n通道MOSFET組合在一起,形成了一個高效的汽車和工業(yè)前端反向極性結構,并且能夠從低電流擴展至非常高的電流。圖6顯示的是可以實現(xiàn)的,用于100W解決方案的小外形尺寸 (117mm2),它的尺寸大約為D2PAK二極管尺寸(180mm2)的60%。
 
其它資源:
 
●    在你的下一個設計中考慮使用LM74610-Q1智能二極管控制器。
●    使用LM74610-Q1 SPICE模型來分析你的智能二極管控制器設計。
●    下載一個參考設計,并且加快產(chǎn)品的上市時間:
      ○ 針對具有所需汽車保護功能的30W ADAS系統(tǒng)的系統(tǒng)級參考設計
      ○ 針對具有所需汽車保護功能的20W ADAS系統(tǒng)的系統(tǒng)級參考設計
      ○ 針對基于低功耗TDA3x的系統(tǒng)的汽車電源參考設計
      ○ 完整的前端汽車類反向極性和串聯(lián)故障保護參考設計
 
 
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