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防反保護(hù)電路的設(shè)計(jì)(下篇)

發(fā)布時(shí)間:2022-10-27 來(lái)源:MPS 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】本系列的上、下兩篇文章探討了防反保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。 上篇 介紹了各種脈沖干擾以及在汽車電子產(chǎn)品中設(shè)計(jì)防反保護(hù)電路的必要性,同時(shí)回顧了 PMOS 方案保護(hù)電路的特性;本文為下篇,將討論使用 NMOS 和升降壓驅(qū)動(dòng) IC 實(shí)現(xiàn)的防反保護(hù)電路。


NMOS


設(shè)計(jì)具有 NMOS 和驅(qū)動(dòng)IC 的防反保護(hù)電路時(shí),NMOS 需放置在高邊,驅(qū)動(dòng)IC也從高邊取電,這里將產(chǎn)生一個(gè)大于輸入電壓 (VIN) 的內(nèi)部電壓,給 NMOS 提供 (VGS)驅(qū)動(dòng)供電。


根據(jù)驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生的原理,驅(qū)動(dòng)IC可以采用電荷泵方案或升降壓(Buck-Boost)方案。具體描述如下:


●    電荷泵防反保護(hù)方案: 電荷泵方案具有較低的總體BOM 需求,從而可降低成本。該方案非常適合小電流應(yīng)用,例如汽車 USB 供電設(shè)備 (PD) 大功率充電模塊。

●    升降壓防反保護(hù)方案: 升降壓方案提供強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力和出色的EMC 性能。該方案非常適合大電流和高性能環(huán)境,例如汽車域控制器和音響系統(tǒng)。


圖 1 顯示了電荷泵方案與升降壓方案的特性。


5.jpg

圖 1:電荷泵方案與升降壓(Buck-Boost)方案


驅(qū)動(dòng)IC的工作原理


圖2顯示了具有電荷泵拓?fù)涞腘MOS驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)化工作原理圖。


6.jpg

圖 2:電荷泵拓?fù)涞墓ぷ髟韴D


CLK周期描述如下:


1. S1和S2導(dǎo)通

2. C0 由內(nèi)部對(duì)地電壓源充電

3. S3和S4導(dǎo)通

4. C1 由 C0 上的電壓充電


C0 是具有快速充電和放電速度的小電容,而 C1 則是具有大負(fù)載能力的大電容。因此,通過(guò)S1和S2(以及S3和S4)的頻繁切換, C0 上的電荷可以不斷傳輸給 C1,而 C1 的負(fù)端連接至電池電壓 (VBATT)。最終,NMOS由一個(gè)大于 VBATT 的電壓驅(qū)動(dòng)。


圖 3 顯示了具有升降壓拓?fù)涞?NMOS 驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)化工作原理圖。


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圖 3:升降壓拓?fù)涞墓ぷ髟韴D


在升降壓拓?fù)渲?,功率MOSFET放在低邊。當(dāng) S_BAT 導(dǎo)通時(shí), VIN 對(duì)電感充電,電感電壓為負(fù);當(dāng)S_BAT關(guān)斷時(shí),電感將通過(guò)二極管釋放能量,電感電壓為正,并為 C1充電。當(dāng) C1 上的電壓超過(guò) VBATT 時(shí),NMOS柵極將被驅(qū)動(dòng)。


升降壓驅(qū)動(dòng) IC 的優(yōu)勢(shì)


在防反保護(hù)驅(qū)動(dòng) IC 中采用升降壓驅(qū)動(dòng) IC 有兩個(gè)明顯優(yōu)勢(shì):增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電流能力并提高 EMC 性能。


驅(qū)動(dòng)電流能力


升降壓拓?fù)淇梢蕴峁└蟮尿?qū)動(dòng)電流能力和更快的輸入干擾響應(yīng)能力。例如,輸入疊加100kHz,峰峰值2V條件下進(jìn)行實(shí)測(cè)。測(cè)量結(jié)果如圖 4所示,其中包含輸入防反保護(hù) MOSFET 的源極電壓(粉色)、通過(guò)防反保護(hù) MOSFET 的漏極電壓(淺藍(lán)色)、MOSFET 驅(qū)動(dòng) VGS (紅色)和負(fù)載電流(綠色)。


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圖 4:升降壓拓?fù)涞臏y(cè)量波形(疊加交流紋波脈沖 = 100kHz,峰-峰值 = 2V)


波形顯示出,驅(qū)動(dòng)IC實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了NMOS的漏極與源極。在測(cè)試條件下,輸入電壓 (VIN) 與源極電壓 (VS)一致,而系統(tǒng)電壓則與漏極電壓 (VD)一致。


如果 VS 低于 VD,則 VIN 低于系統(tǒng)電壓,MOSFET 驅(qū)動(dòng)關(guān)斷,體二極管提供防反保護(hù)功能防止電容電流回流;如果 VS 超過(guò) VD,則 VIN 超過(guò)系統(tǒng)電壓,MOSFET 驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通,可避免體二極管導(dǎo)通影響效率。


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


我們對(duì)電荷泵防反保護(hù)電路進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如圖 5所示,其中包括防反保護(hù) MOSFET 的輸入源極電壓(黃色)、輸出漏極電壓(紅色)、驅(qū)動(dòng) VGS(綠色)和負(fù)載電流(藍(lán)色)。


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圖 5:電荷泵拓?fù)涞臏y(cè)量波形


當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)脈沖丟失時(shí),MOSFET不會(huì)被驅(qū)動(dòng)。與此同時(shí),體二極管導(dǎo)通將導(dǎo)致大量熱損耗。而且在導(dǎo)通時(shí),將產(chǎn)生較大的充電電流尖峰。


當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)脈沖常開的時(shí)間內(nèi),MOSFET 通常也會(huì)導(dǎo)通。與此同時(shí),電解電容會(huì)反復(fù)充放電,從而導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重。


提升EMC 性能


升降壓拓?fù)溥€可以提升 EMC 性能。電荷泵雖然沒(méi)有電感,但它是一種容性開關(guān)電源,由于效率低需要極高的工作頻率。通常情況下,集成電容?。ㄔ?pF 范圍內(nèi))而外部電容大(在 μF 范圍內(nèi))。因此,電荷泵的開關(guān)頻率 (fSW) 常超過(guò) 10MHz,這種高頻率將導(dǎo)致 EMI 問(wèn)題。


采用升降壓驅(qū)動(dòng) IC 可提高效率。通過(guò)采用固定峰值電流控制,較小負(fù)載對(duì)應(yīng)較低的 fSW。因此,升降壓拓?fù)淇商嵘?EMC 性能(參見圖 6)。


10.jpg

圖 6:升降壓拓?fù)涞暮愣ǚ逯惦娏?/p>


MPQ5850-AEC1簡(jiǎn)介


MPQ5850-AEC1 是一款智能二極管控制芯片,它可以替代肖特基二極管,驅(qū)動(dòng)外部 NMOS實(shí)現(xiàn)反向輸入保護(hù)。該器件采用 TSOT23-8 封裝,非常適合汽車?yán)鋯?dòng)條件。


圖 7 對(duì)電荷泵拓?fù)渑c采用升降壓拓?fù)涞腗PQ5850-AEC1進(jìn)行了EMC 性能比較。左邊的電荷泵拓?fù)淇赡軙?huì)存在潛在的EMC 問(wèn)題,而右邊的MPQ5850-AEC1 方案能完美通過(guò)國(guó)標(biāo)等級(jí)5測(cè)試。


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圖7:電荷泵拓?fù)渑cMPQ5850-AEC1的比較


結(jié)語(yǔ)


采用最佳的防反保護(hù)電路設(shè)計(jì)對(duì)通過(guò)各種脈沖干擾測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)非常重要。與傳統(tǒng)的 PMOS電路相比,NMOS 電路提高了驅(qū)動(dòng)電流能力和 EMC 性能。MPS的 MPQ5850-AEC1 可提供反向輸入保護(hù)功能并滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)。欲了解更多詳情,請(qǐng)瀏覽MPS行業(yè)領(lǐng)先的 負(fù)載開關(guān)和控制器相關(guān)頁(yè)面,這些產(chǎn)品均以緊湊的封裝提供了易于使用且安全的解決方案。


來(lái)源:MPS



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