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防反保護電路的設(shè)計(下篇)

發(fā)布時間:2022-10-27 來源: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電路的設(shè)計。 上篇 介紹了各種脈沖干擾以及在汽車電子產(chǎn)品中設(shè)計防反保護電路的必要性,同時回顧了 PMOS 方案保護電路的特性;本文為下篇,將討論使用 NMOS 和升降壓驅(qū)動 IC 實現(xiàn)的防反保護電路。


NMOS


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


根據(jù)驅(qū)動電源產(chǎn)生的原理,驅(qū)動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。

●    升降壓防反保護方案: 升降壓方案提供強大的驅(qū)動能力和出色的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。


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圖 1:電荷泵方案與升降壓(Buck-Boost)方案


驅(qū)動IC的工作原理


圖2顯示了具有電荷泵拓?fù)涞腘MOS驅(qū)動簡化工作原理圖。


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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由一個大于 VBATT 的電壓驅(qū)動。


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


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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, VIN 對電感充電,電感電壓為負(fù);當(dāng)S_BAT關(guān)斷時,電感將通過二極管釋放能量,電感電壓為正,并為 C1充電。當(dāng) C1 上的電壓超過 VBATT 時,NMOS柵極將被驅(qū)動。


升降壓驅(qū)動 IC 的優(yōu)勢


在防反保護驅(qū)動 IC 中采用升降壓驅(qū)動 IC 有兩個明顯優(yōu)勢:增強驅(qū)動電流能力并提高 EMC 性能。


驅(qū)動電流能力


升降壓拓?fù)淇梢蕴峁└蟮尿?qū)動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條件下進行實測。測量結(jié)果如圖 4所示,其中包含輸入防反保護 MOSFET 的源極電壓(粉色)、通過防反保護 MOSFET 的漏極電壓(淺藍(lán)色)、MOSFET 驅(qū)動 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量波形(疊加交流紋波脈沖 = 100kHz,峰-峰值 = 2V)


波形顯示出,驅(qū)動IC實時監(jiān)測了NMOS的漏極與源極。在測試條件下,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)動關(guān)斷,體二極管提供防反保護功能防止電容電流回流;如果 VS 超過 VD,則 VIN 超過系統(tǒng)電壓,MOSFET 驅(qū)動導(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,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。


我們對電荷泵防反保護電路進行測量。測量結(jié)果如圖 5所示,其中包括防反保護 MOSFET 的輸入源極電壓(黃色)、輸出漏極電壓(紅色)、驅(qū)動 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量波形


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


當(dāng)柵極驅(qū)動脈沖常開的時間內(nèi),MOSFET 通常也會導(dǎo)通。與此同時,電解電容會反復(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 10MHz,這種高頻率將導(dǎo)致 EMI 問題。


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


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圖 6:升降壓拓?fù)涞暮愣ǚ逯惦娏?/p>


MPQ5850-AEC1簡介


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)動外部 NMOS實現(xiàn)反向輸入保護。該器件采用 TSOT23-8 封裝,非常適合汽車?yán)鋯訔l件。


圖 7 對電荷泵拓?fù)渑c采用升降壓拓?fù)涞腗PQ5850-AEC1進行了EMC 性能比較。左邊的電荷泵拓?fù)淇赡軙嬖跐撛诘腅MC 問題,而右邊的MPQ5850-AEC1 方案能完美通過國標(biāo)等級5測試。


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圖7:電荷泵拓?fù)渑cMPQ5850-AEC1的比較


結(jié)語


采用最佳的防反保護電路設(shè)計對通過各種脈沖干擾測試標(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)動電流能力和 EMC 性能。MPS的 MPQ5850-AEC1 可提供反向輸入保護功能并滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)。欲了解更多詳情,請瀏覽MPS行業(yè)領(lǐng)先的 負(fù)載開關(guān)和控制器相關(guān)頁面,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。


來源:MPS



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