一、為什么要設(shè)計(jì)防反接電路

電源入口處接線及線束制作一般人為操作，有正極和負(fù)極接反的可能性，可能會(huì)損壞電源和負(fù)載電路；

汽車電子產(chǎn)品電性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn) ISO16750-2的4.7節(jié)包含了電壓極性反接測(cè)試，汽車電子產(chǎn)品須通過(guò)該項(xiàng)測(cè)試。

二、防反接電路設(shè)計(jì)

1.基礎(chǔ)版：二極管

串聯(lián)二極管是最簡(jiǎn)單的防反接電路，因?yàn)殡娫从须娫绰窂剑凑龢O）和返回路徑（即負(fù)極，GND），那么用二極管實(shí)現(xiàn)的防反接電路就既可以串接在電源正極，也可以串接在電源負(fù)極，如下圖：

這兩種是實(shí)現(xiàn)防反接的最簡(jiǎn)單的形式，成本低，但也有明顯的局限性和缺點(diǎn)：

二極管有正向?qū)▔航?，因此，若其串?lián)在電源路徑上，那么負(fù)載電路入口處的電壓會(huì)比電源輸出電壓低一些；若其串聯(lián)在返回路徑上，則負(fù)載電路的GND與電源的GND有壓差。

二極管通流能力有限，無(wú)法應(yīng)對(duì)較大電流的負(fù)載電路。

二極管發(fā)熱嚴(yán)重，會(huì)有overheat風(fēng)險(xiǎn)。

如果使用二極管無(wú)法滿足實(shí)際需求，那么可以使用后面的兩種方式。

2.基礎(chǔ)版plus：MOSFET

MOSFET導(dǎo)通壓降小，導(dǎo)通阻抗低，可以解決二極管防反電路的部分缺點(diǎn)。和二極管一樣，有電源路徑和返回路徑兩種設(shè)計(jì)方式，如下圖：

由于MOSFET自身特性的原因，若僅僅使用singe FET進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，那么電源路徑上只能使用PMOS，返回路徑只能使用NMOS，它們與二極管相比，有更小的導(dǎo)通壓降，更低的溫升，更大的通流能力（大部分）。

PMOS和NMOS相比，各自的缺點(diǎn)如下：

PMOS防反接電路：同樣size的PMOS與NMOS相比，POMS的Rdson更大，因此同樣性能下，PMOS會(huì)比NMOS更貴，尤其是應(yīng)用在大電流電路中，常常需要好幾個(gè)MOSFET并聯(lián)在一起實(shí)現(xiàn)更大的通流，那成本上就會(huì)有更大的差異。

NMOS防反接電路：只能放在返回路徑上，但和二極管放在返回路徑上一樣，還是有導(dǎo)通壓降（雖然小了很多），相當(dāng)于地平面不是處處電壓相等。

總體來(lái)看PMOS和NMOS的防反接電路設(shè)計(jì)雖然比二極管電路設(shè)計(jì)相比有明顯進(jìn)步，但依舊有其各自的缺點(diǎn)。那么，有沒有什么方式，可以既使用NMOS（成本低），又能避免lift up GND呢？
當(dāng)然有，那就是結(jié)合起來(lái)，把NMOS放到電源路徑上（高邊），然后用更高的電壓驅(qū)動(dòng)NMOS打開。

3.進(jìn)階版：NMOS+ FET controller

FET controller有很多種選擇，并且也有很多除了防反接以外的功能（其它功能稍后講）。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，TI的LM5050-1-Q1芯片。它的經(jīng)典應(yīng)用電路長(zhǎng)這樣：

它的內(nèi)部長(zhǎng)這樣：

電源上電時(shí)，電壓通過(guò)NMOS的body diode流向芯片的OUT及VS引腳（因此選擇MOSFET時(shí)，通流能力不僅要看ID，還要看Is，即continuous source current），VS引腳內(nèi)部是charge pump，當(dāng)輸入電壓及其它條件（比如enable之類的）均滿足時(shí)，芯片就會(huì)通過(guò)charge pump給其GATE引腳（即外部NMOS的柵極）充電，這樣充電會(huì)增加芯片IN引腳和GATE引腳之間的壓差，也就是NMOS柵極和源極之間的壓差，增大到一定程度后，NMOS就會(huì)被打開，那么電源就會(huì)通過(guò)NMOS的Rds流向負(fù)載，而不再是NMOS的體二極管。這就降低了電源路徑上的壓降。

至此，一個(gè)較為合格的基礎(chǔ)防反接電路（壓降小，成本低，通流能力強(qiáng)）就成了。

當(dāng)然這里舉的FET controller例子是LM5050-1-Q1，它驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O的方式是charge pump，主要目的是將NMOS的gate抬高到比source更高的電壓。除了charge pump還有一個(gè)抬高電壓的方式，那就是boost regulator。
LM74722-Q1就是這樣的方式，它的經(jīng)典應(yīng)用電路及block diagram長(zhǎng)這樣：

charge pump和boost regulator這兩種驅(qū)動(dòng)方式相比，差異主要是boost regulator成本更高，但具有更強(qiáng)的driving ability和更好的EMC performance。

3.其它功能

a. ENABLE/OFF

這是一個(gè)比較基礎(chǔ)的功能，就是控制FET controll是否工作；

b. switch function

比如上面提到的LM5050-1-Q1，MOSFET的打開只是降低電源路徑的壓降，減少損耗，但即使MOSFET關(guān)掉，供電電源的電流還是會(huì)通過(guò)body diode流向負(fù)載，但有一些FET controller可以順帶實(shí)現(xiàn)開關(guān)的功能，即MOSFET沒有打開時(shí)，不會(huì)有電流流向負(fù)載。這個(gè)功能也比較好實(shí)現(xiàn)，那就是放一個(gè)與當(dāng)前NMOS背對(duì)背的NMOS，如下圖：

紅框中的NMOS的body diode與它右側(cè)的NMOS相反，這樣就能阻值電流直接從電源流向負(fù)載。

c. UV/OV protection

這個(gè)也比較好實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部增加比較器就可以，上圖的LM74502-Q1就有這個(gè)功能。

d. reverse current block

這個(gè)reverse polarity protection情況不同，主要是觸發(fā)條件不同。reverse polarity protection是由于電源正負(fù)極接反，導(dǎo)致電流可能出現(xiàn)反向流動(dòng)所以要保護(hù)，但reverse polarity protection是電源正負(fù)極沒有接反且功能正常運(yùn)行時(shí)，Cout也有了一個(gè)穩(wěn)定的電壓 （例如14V），但是由于供電電源因?yàn)槟承┰颍ū热邕M(jìn)行電性能測(cè)試/ESD測(cè)試/雷擊等，具體見汽車電子產(chǎn)品硬件電路設(shè)計(jì)——電源入口處TVS選擇）有瞬間跌落，此時(shí)輸入電壓已經(jīng)跌至＜14V，但是VOUT部分由于有Cout的存在，從原本的14V開始放電，那么此時(shí)，下圖中，VOUT＞VBATT：

此時(shí)兩個(gè)NMOS還在打開中，就會(huì)有電流從VOUT流向VBAT，從而發(fā)生電流倒灌，這種電流倒灌可能會(huì)對(duì)供電電源產(chǎn)生危害，或者損壞NMOS（具體見link）。因此，我們要做的是blocking這個(gè)reverse current。
目前常見的處理方式是用比較器，比如LM74700，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見下圖：

輸入電壓和輸出電壓會(huì)分別通過(guò)ANODE和CATHODE引腳進(jìn)入芯片，進(jìn)入一個(gè)-11mv的比較器，如果檢測(cè)到輸入電壓比輸出電壓低11mV以上，芯片就會(huì)馬上關(guān)掉外部NMOS（這個(gè)響應(yīng)速度一般不會(huì)超過(guò)1us），這樣反向電流就會(huì)被NMOS上的body diode阻斷。

參考：

https://www.ti.com/lit/an/slva835a/slva835a.pdf?ts=1720101490746

https://media.monolithicpower.com/mps_cms_document/2/0/2022-en-wechat-designing-a-reverse-polarity-protection-circuit_part-i_r1.0.pdf

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm5050-1-q1.pdf