利用智能理想二极管实现汽车电池前端保护

Lena Zhang

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简介

汽车电池端子在启动、车辆保养或维修过程中可能被反接，如果对这些故障条件不能恰当处理，电子控制单元 (ECU) 中的组件就可能损坏。除此之外，正常运行期间的汽车电池电压也可能不恒定。在 EMC 标准（如 ISO 7637 和 ISO 16750）规定的几项瞬态测试中，输入电压 (V_IN) 甚至可能为负。这些潜在的风险意味着为汽车电池提供前端保护十分必要。

肖特基二极管和 P 沟道 MOSFET (P-FET) 广泛应用于汽车电源系统设计，以实现电池反向保护和汽车电气瞬态保护。但这些传统解决方案功耗极大，这降低了热效率，并使设计人员很难满足系统的成本与空间要求。

本文将介绍反极性保护解决方案，并以 MPS 的 MPQ5850-AEC1 （一款可用于汽车前端保护的智能二极管控制器）为例，探讨相比传统前端保护解决方案，采用控制器所具有的优势。

采用肖特基二极管进行前端保护

肖特基二极管提供了最简单的反极性保护，其原理图如下（图 1）。正常工作时，二极管 (D1) 正向导通；如果施加反向电压，D1 将停止导通。

图 1：采用肖特基二极管实现反极性保护

由于二极管具有恒定且明显的正向压降，随着正常工作电流的增加，二极管上消耗的功率也会成比例增加，从而导致其散热性能不佳。因此，肖特基二极管解决方案通常仅用于小电流应用。现在，越来越多更好的策略不断被开发出来；肖特基二极管由于较大的反向漏电流和过时的架构，已很难满足系统的要求。

采用 P 沟道 MOSFET 进行前端保护

在工业和汽车应用中，P-FET 常被用来实现反极性保护，因为它压降小，功耗低。图 2 显示了采用 P-FET 时的原理图。

图2: 采用P-FET实现反极性保护

在正常工作期间，电流首先流过 P-FET 的体二极管，P-FET 的源极(S) 电压接近电池电压 (V_BATT)。此时，栅极 (G) 电压为 0V；相对于 P-FET 的源极端（也是电路的输出），该电压为负。在这种情况下，P-FET (Q1) 可以导通，然后电流从漏极 (D) 流向源极 (S)。这种解决方案的齐纳二极管 (D1) 可以保护栅源电压 (V_GS) 不超过额定电压。

当系统处于反极性条件下时，D1 正向导通， V_GS 仅为 0.7V 左右。此时 Q1 关断，以保护系统免受反极性电压造成的损坏。

P-FET 只需将其栅极引脚拉低即可实现自偏置，但这意味着 P-FET 的冷启动性能较差（低 V_BATT 操作）。在严重冷启动期间（ V_BATT 降至 4V 以下），P-FET 的串联电阻会急剧增加（见图 3）。这会增大 P-FET 两端的压降。在冷启动期间，如果 P-FET 关断，高栅源阈值 (V_TH) 甚至会导致系统重置。

图 3：P-FET 导通电阻与栅源电压的关系

采用 P-FET 会带来一些挑战。P-FET 解决方案需要一个保护电路，该电路由齐纳二极管 (D1) 和限流电阻 (R1) 组成，用于避免 V_GS 超过其击穿电压 (BV)。但D1 和 R1 都有漏电流，这会增加系统的静态电流 (I_Q)。此外，当施加交流输入电压时，P-FET 完全导通，从而导致电流回流。这会迫使电解电容反复充电和放电，最终导致过热。

采用智能理想二极管控制器实现前端保护

上述的传统反极性保护解决方案很难满足新型系统的诸多需求，例如低成本、小尺寸、高效率和多功能性。但能够驱动外部 N 沟道 MOSFET (N-FET) 的智能理想二极管控制器则完全满足这些要求。

N-FET 必须放置在高端，智能二极管控制器 IC 也从高端获取电源。内部电源电压必须超过电池电压 (V_BATT) 才能驱动 N-FET。产生该电源电压的方法有两种：通过电荷泵或升压（见图 4）。下面将对这两种方法进行详细描述。

图4: 智能二极管控制器栅极驱动方法

电荷泵

图5显示了用四个开关（S1、S2、S3和S4）实现电荷泵的工作原理。 C_T是具有快速充电和放电速度的低值电容， C_CP 是具有大负载能力的高值电容。当时钟的脉宽调制（PWM）信号为高电平时，S3和S4导通，内部源对 C_T进行充电；当PWM信号为低电平时，S3和S4断开，S1和S2导通，电荷泵电容 (C_CP) 由 C_T充电。

图5: 内部电荷泵电路

这样，通过S1和S2（以及S3和S4）的频繁切换， C_T 上的电荷可以不断传输到 C_CP。此外， C_CP的负极连接到电池电压 (V_BATT)，因此N-FET可以被超过 V_BATT的电压驱动。

电荷泵效率低，驱动电流能力弱，通常只有10mA到30mA的上拉电流。当 V_BATT 快速波动时（当输入中叠加了ISO 16750-2标准高频交流信号时，如图6所示），极易产生栅极驱动脉冲丢失、栅极驱动脉冲不断导通等异常现象。

图 6：ISO 16750-2 标准叠加交流电压

如果栅极驱动脉冲丢失，N-FET保持关断状态，电流由其体二极管传导，这将导致大量的热损耗；而当栅极驱动脉冲不断导通时，N-FET保持导通状态，输出电解电容 (C_OUT) 反复充电和放电，又会导致过热。

此外，尽管电荷泵没有电感，但电荷泵电路为电容式开关电源，其效率较低，需要极高的工作频率 (f_SW)。通常， C_T 的集成电容较小（在pF范围内）， C_CP 的外部电容较大（在µF范围内）。因此，电荷泵的 f_SW 常超过10MHz，这会带来EMI问题和更高的 I_Q。

总之，电荷泵解决方案具有较低的整体BOM要求，可以降低成本，但只推荐用于小电流应用；对于大功率应用，其容量不足。

升压变换器

图 7 显示了升压变换器解决方案的工作原理。当 S1 导通时，电感由 V_BATT充电，电感上的电流增大。一旦电感电流 (I_L) 达到固定峰值电流阈值，S1 就会断开。 I_L 继续流过二极管 (D1) 并为电容 (C1) 充电。当 C1 上的电压超过 V_BATT时，N-FET 栅极被拉高。

图7: 内部升压电路

使用升压变换器驱动外部N-FET时，升压变换器的效率较高，可提供较大的驱动电流容量（超过100mA）和较快的输入干扰响应。因此对于大功率应用，建议采用集成了升压变换器的智能二极管控制器解决方案，这种方案同时还能实现良好的 V_IN 整流效果。

此外，升压变换器采用固定峰值电流模式控制，这意味着其负载越轻， f_SW也较低。由于 N-FET 仅消耗很少的电流，因此可实现具有超低 f_SW 且几乎不存在 EMI 问题的解决方案。

新型智能理想二极管解决方案

为了满足前端对大电流、快速响应和小尺寸的需求，MPS 开发了可用于汽车前端保护的 MPQ5850-AEC1（见图 8）。

图 8：MPQ5850-AEC1 及典型应用电路

MPQ5850-AEC1 是一款智能理想二极管控制器，可驱动外部 N-FET ，取代肖特基二极管或 P-FET 实现反向输入保护。该器件集成了内部升压电路，即使在低输入 V_BATT条件下，也能提供升压电压导通外部 N-FET。图 9 显示了该器件的功能框图。

图9: MPQ5850-AEC1功能框图

MPQ5850-AEC1 通过调制外部 N-FET 的栅极将源漏电压 (V_SD) 调节至 20mV。其 20mV 超低压差可最大限度地减少功耗，并能够轻松检测到微小的负电流。

该器件还具有4μA 关断电流和 30μA I_Q，因此是电池供电应用的理想选择。MPQ5850-AEC1 具有强大的栅极驱动能力（170mA 上拉和 430mA 下拉），可实现超快速瞬态响应，并满足严格的 ISO 16750 和 ISO 7637 要求，例如 4 类负脉冲和 100kHz 输入叠加高频交流信号。图 10 显示了部分测试波形。

图 10：MPQ5850-AEC1 负脉冲及同步输入测试波形

MPQ5850-AEC1 的内部电路由漏极电压 (V_DRAIN) 而非 V_BATT供电。如果 V_DRAIN 超过其欠压锁定 (UVLO) 阈值，则 MPQ5850-AEC1 正常运行，即使在严重冷启动条件下，V_BATT降至 0V时，也能正常工作。

如果 V_DRAIN 降至 UVLO 阈值以下，MPQ5850-AEC1会将 GATE 引脚下拉至 SOURCE 引脚（也是 N-FET 的源极），直到储能电容上的电压放电至UVLO 阈值以下。这样，该器件就能够在临时低压瞬变（例如冷启动条件）期间最小化正向压降。图 11 显示了冷启动的测试波形。

图11: MPQ5850-AEC1冷启动测试波形

MPQ5850-AEC1 还集成了开漏电源正常 (PG) 信号引脚，用于指示特定的状态，例如当升压电容失调、过流 (OC) 条件持续时间超过 17μs 或器件被禁用时。与此同时，内部升压采用低频、固定峰值电流模式控制器，这让 MPQ5850-AEC1 具有出色的 EMI 性能（见图 12）。

图12: MPQ5850-AEC1的 CISPR 25 Class 5 CE 和RE EMI 性能

总结

就前端保护而言，肖特基二极管成本低、电路简单，可用于小电流应用；但随着电流的增大，该方案的功率和热损耗也越来越严重。对于较大电流应用，可以采用MOSFET电路，但应根据具体应用情况选择P-FET或N-FET。P-FET不能在低压下使用，也不能提供输入整流。

比较采用N-FET的两种方法，电荷泵驱动方案的整体BOM要求较低，因此可以降低成本；但其EMC性能较差，更适合小电流应用，例如汽车USB电源设备的大功率充电模块。升压变换器解决方案，例如MPQ5850-AEC1，具有强大的驱动能力和出色的EMC性能。这种解决方案可用于大电流和高性能环境，例如汽车域控制器和音频系统。

表1对上述不同解决方案进行了比较。

表1: 前端保护解决方案的比较

	肖特基二极管	P-FET	电荷泵	MPQ5850 (升压)
速度	很快	很慢	慢	快
压降	很高	中等	低	低
解决方案尺寸	小	大	小	小
最小冷启动电压	0V	不支持	3V	0V
EMI	无	无	有潜在风险	很低

结语

本文比较了四种汽车电池前端保护（尤其针对反极性）解决方案，包括肖特基二极管、P 沟道 MOSFET 或带有 N 沟道 MOSFET 的智能控制器。根据应用需求的不同，这些方案可能各具优势。采用智能控制器（如 MPQ5850-AEC1 ）不仅能实现完整的解决方案，还能提高效率、最大限度地降低 EMI 并支持在恶劣条件下的运行（例如冷启动条件和输入叠加高频交流条件）。了解 MPS 广泛的汽车级智能控制器产品组合，可以帮助您满足设计要求。