在上期中，我們探討了如何確保有源 EMI 濾波器的穩(wěn)定性和性能。

本期，為大家?guī)淼氖恰镀嚪聪螂姵乇Ｗo設(shè)計中的 TVS-less》，將討論解析如何通過理想二極管控制器與N溝道MOSFET架構(gòu)，在省去傳統(tǒng)TVS二極管的情況下，有效應(yīng)對電源瞬變與反極性風(fēng)險。

引言

汽車電池連接多個負(fù)載，包括電子控制單元 (ECU)、繼電器和電機。一些系統(tǒng)級事件（例如打開或關(guān)閉電感負(fù)載）會導(dǎo)致電池電源線路上產(chǎn)生電壓瞬變。所有反極性保護電路都必須保護下游電子負(fù)載免受這些系統(tǒng)級瞬態(tài)事件的影響。

理想二極管反向電池保護系統(tǒng)通常包括一個理想二極管控制器、一個 N 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)，以及一個用于鉗制瞬態(tài)事件的輸入側(cè)瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管。然而，該 TVS 二極管占用了高達 70% 的解決方案空間，這在設(shè)計密集型 ECU（如汽車駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 攝像頭、USB 集線器和顯示 ECU）方面提出了挑戰(zhàn)。去掉輸入側(cè) TVS 可節(jié)省系統(tǒng)成本，減小解決方案尺寸，并提高系統(tǒng)可靠性。

本文介紹了使用理想二極管控制器的無 TVS 反向電池保護系統(tǒng)設(shè)計，并根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 7637-2 和 16750-2 以及原始設(shè)備制造商 (OEM) 標(biāo)準(zhǔn)（如德國汽車制造商的 VW8000 (LV124)）分析了該系統(tǒng)架構(gòu)的保護和電磁兼容性 (EMC)。

使用理想二極管控制器

實現(xiàn)汽車反向電池保護

驅(qū)動 N 溝道 MOSFET 的理想二極管控制器是一種低損耗反極性保護解決方案，可替代基于功率二極管和 P 溝道 MOSFET 的傳統(tǒng)解決方案。除了針對輸入極性反轉(zhuǎn)提供保護外，輸入保護解決方案還應(yīng)保護下游電子電路免受各種系統(tǒng)級瞬態(tài)事件的影響。ISO 7637-2、VW 80000 (LV124) 和 ISO 16750-2 等汽車標(biāo)準(zhǔn)定義了此類系統(tǒng)級瞬態(tài)事件。

典型的應(yīng)用電路包括一個驅(qū)動 N 溝道 MOSFET 的理想二極管控制器和一個用于抑制各種汽車 EMC 瞬態(tài)的輸入側(cè) TVS 二極管。輸入側(cè) TVS 二極管的主要用途是防止因電源與電感負(fù)載斷開而產(chǎn)生 ISO7637-2 脈沖 1 瞬態(tài)事件所描述的汽車高能量負(fù)瞬態(tài)。如圖 2-1 所示，當(dāng)通過電感負(fù)載的電流中斷時，會發(fā)生電壓瞬變。根據(jù) ISO7637-2 標(biāo)準(zhǔn)，該瞬態(tài)事件通常持續(xù) 2ms (td)，幅度 (US) 范圍為 –75V 至 –150V。兩個連續(xù)脈沖之間的總持續(xù)時間為 200ms (t2)。還有由 ISO 7637-2 標(biāo)準(zhǔn)定義的其他低能量短時瞬態(tài)事件，例如由線束電感突然切換和電流中斷引起的脈沖 2A、3A、3B。理想二極管保護電路中使用的輸入和輸出電容器可濾除這些短時瞬態(tài)，不會影響整體系統(tǒng)性能。

圖 2-1 ISO 7637-2 脈沖 1 特性。

大多數(shù)車輛都有一個集中式負(fù)載突降鉗位，可在負(fù)載突降事件期間，將 12V 電池驅(qū)動車輛的最大瞬態(tài)電壓鉗位到 35V。但是需要保護電子電路，以免在關(guān)閉電感負(fù)載時出現(xiàn)負(fù)瞬態(tài)。輸入側(cè) TVS 二極管將這些瞬態(tài)鉗位在更安全的范圍內(nèi)，這樣電子電路就可以繼續(xù)運行而不會出現(xiàn)任何損壞。

圖 2-2 顯示了一個實現(xiàn)理想二極管反極性保護解決方案的典型印刷電路板 (PCB)，以及輸入 TVS 二極管對總解決方案尺寸的貢獻。對于空間受限的 ECU 設(shè)計（如 ADAS 攝像頭、雷達和激光雷達 ECU 以及 USB 集線器），去掉輸入側(cè) TVS 二極管并同時確?？煽康南到y(tǒng)級 EMC 性能可帶來諸多好處。去掉輸入側(cè) TVS 二極管也提高了整體可靠性，因為電池和地線之間不再需要分流元件。

圖 2-2 典型的理想二極管應(yīng)用電路和 PCB 面積比較。

使用理想二極管控制器

實現(xiàn)無 TVS 汽車反極性保護

TI 的LM74701-Q1和LM74721-Q1理想二極管控制器集成了一種獨特功能，可實現(xiàn)無 TVS 的輸入反極性保護解決方案。該器件運行一個外部 MOSFET 作為有源鉗位元件，以耗散 ISO 7637-2 脈沖 1 所述負(fù)瞬態(tài)事件產(chǎn)生的能量。在 ISO 7637-2 脈沖 1 瞬態(tài)事件期間，在沒有要求保持輸出電壓的情況下，這些器件通過監(jiān)測外部 MOSFET 漏源 (VDS) 引腳上的壓降并啟用柵極驅(qū)動，將外部 FET 兩端的電壓穩(wěn)定至預(yù)定義閾值。反向電流從輸出電容器流回輸入源，瞬態(tài)脈沖能量通過MOSFET耗散。

圖 3-1 所示為標(biāo)準(zhǔn)理想二極管與無 TVS 理想二極管解決方案在 ISO 7637-2 脈沖 1 運行方面的差異。

圖 3-1 有/無 TVS 時的 ISO 7637-2 脈沖 1 比較。

無 TVS 理想二極管：

運行模式和工作原理

在 VDS 鉗位運行期間，電流從輸出電容器傳導(dǎo)回輸入源。ISO 7637-2 脈沖 1 瞬態(tài)事件期間此運行是可接受的。在該事件中，鑒于掉電持續(xù)時間長達 200ms，不強制要求保持輸出電壓。

但是，反向電流保護是系統(tǒng)測試所需的一項關(guān)鍵功能，在測試中，電源中斷持續(xù)的時間很短，例如輸入微短路 (LV124-E10)以及在交流疊加測試期間 (LV124-E06)。在這些測試期間VDS鉗位運行不應(yīng)干預(yù)進來，以確保實現(xiàn)反向電流保護。

圖 4-1 是一張流程圖，可幫助您確定 VDS 鉗位閾值，從而確保各種測試條件下的 EMC 性能。

圖 4-1 無 TVS 理想二極管控制器運行算法。

對于無 TVS 理想二極管控制器，當(dāng)輸入電壓低于輸出電壓但未達到 VDS 鉗位閾值時，理想二極管控制器保持反向電流阻斷模式，且外部 FET 保持關(guān)閉狀態(tài)，以確保輸出電壓不會從其標(biāo)稱值下降太多。這種運行模式更適用于要求保持輸出電壓的系統(tǒng)級 EMC 測試，例如輸入微短路中斷（LV124-E10、ISO 16750-2）。當(dāng)輸出和輸入之間的電壓差超過 VDS 鉗位閾值（例如在 ISO 7637-2 脈沖 1 瞬態(tài)事件的情況下）時，理想二極管控制器將啟用柵極驅(qū)動，外部 FET 將在飽和區(qū)域內(nèi)運行，充當(dāng)電流源。輸出電容器向輸入源提供反向能量，輸出電壓從其標(biāo)稱值下降。

圖 4-2 ISO 7637-2 脈沖 1 瞬態(tài)事件期間的

無 TVS 理想二極管等效電路。

外部 MOSFET

外部 MOSFET 需要在功耗、系統(tǒng)級性能（例如反向電流阻斷）和解決方案成本之間達到最佳平衡。為此，可以先選擇一個通常在滿負(fù)載電流下提供 30mV 至 50mV 正向壓降的 MOSFET。

另一個重要參數(shù)是 MOSFET 的最大 VDS 額定電壓。在 ISO 7637-2 脈沖 1 瞬態(tài)事件期間，外部 MOSFET Q1 的最大 VDS 是理想二極管控制器的 VDSCLAMP（最大值）檢測閾值。Equation1 計算 ISO 7637-2 脈沖 1 瞬態(tài)事件期間流經(jīng) MOSFET 的峰值電流：

方程式 1

其中：

VISO是 ISO 7637-2 脈沖 1 瞬態(tài)事件的負(fù)峰值，

VOUT是應(yīng)用 ISO 7637-2 脈沖 1 之前的 VBATT 初始電平，

VDSCLAMP是理想二極管控制器的最大 VCLAMP閾值，

RS是 ISO 7637-2 脈沖發(fā)生器輸入阻抗 (10Ω)。

圖 5-1 顯示了 LM74701-Q1 在 ISO 7637-2 脈沖 1 瞬態(tài)事件期間的無 TVS 性能，以及 VDS 鉗位運行期間的柵極導(dǎo)通行為、峰值脈沖電流和 MOSFET 上的功率耗散。

圖 5-1 LM74701-Q1 理想二極管控制器的

無 TVS 性能。

ISO 7637-2 脈沖期間的平均電流可近似為峰值電流的三分之一，或 (IISO_PEAK/3)。所以，可根據(jù) Equation2 計算外部 MOSFET 上的平均功率耗散：

方程式 2

一個 ISO 7637-2 脈沖 1 瞬態(tài)事件通常持續(xù) 2ms，外部 MOSFET 在有源鉗位模式下運行約 1ms。建議選擇一個具有以下安全工作區(qū) (SoA) 特性的 MOSFET：負(fù)載線對應(yīng)于 VDSCLAMP（最大值）的 VDS 且漏極電流 (ID) 在 1ms 內(nèi)大于 (IISO_PEAK/2)。

圖 5-2 所示為典型的 SoA 特性和 MOSFET 的選擇標(biāo)準(zhǔn)示例。

圖 5-2 MOSFET SoA 選擇曲線示例 。

輸出電容器 (COUT)

使用無 TVS 的理想二極管控制器時在 ISO7637-2 脈沖 1 事件期間，電流從輸出電容器流回輸入源，從而使輸出電壓放電。如果輸出電容器不足以將電壓保持在 0V 以上，則輸出電壓可能為負(fù)擺幅。理想二極管控制器（如 LM74701-Q1）能夠處理輸出端（陰極引腳）上的負(fù)電壓，并能與較低的輸出電容器一同工作。

但如果連接在理想二極管控制器輸出端的負(fù)載（如直流/直流轉(zhuǎn)換器、音頻放大器和穩(wěn)壓器）無法處理負(fù)輸入電壓，您必須調(diào)整輸出電容器的量程，以使 ISO 7637-2 脈沖 1 瞬態(tài)事件期間的輸出電壓不低于 0V。

Equation3 計算 ISO 7637-2 脈沖 1 事件期間所需的最小輸出電容，確保輸出不會出現(xiàn)負(fù)擺幅：

方程式 3

其中，ΔVOUT是 ISO 7637-2 脈沖 1 瞬態(tài)事件開始和結(jié)束時 VOUT之間的差值。

無 TVS 理想二極管控制器 EMC 性能

圖 7-1 說明了 LM74701-Q1 在以下情況下的系統(tǒng)級性能：

輸入微短路中斷（LV124-E10 測試）和交流疊加頻率 (LV124-E06)，需要反向電流阻斷功能來保持輸出電壓。理想二極管控制器不會干預(yù) VDS 鉗位的運行。

ISO 7637-2 脈沖 1 瞬態(tài)事件（–100V 瞬態(tài)），其中理想二極管控制器干預(yù) VDS 鉗位的運行，并且 MOSFET 上的能量耗散可實現(xiàn)無 TVS 運行。

ISO 7637-2 脈沖 2A 和 2B 瞬態(tài)事件。

ISO 16750-2 脈沖 5B 抑制負(fù)載突降事件（抑制負(fù)載突降為 35V）。

ISO 7637-2 脈沖 3A 和 3B，由輸入和輸出電容器進行濾波的短時瞬態(tài)事件，不會影響器件性能和輸出電壓電平。

某些汽車 ECU 設(shè)計由始終處于通電狀態(tài)的負(fù)載組成，在有效運行期間要求整體系統(tǒng)具有低靜態(tài)電流。對于常開型系統(tǒng)的無 TVS 輸入反極性保護，LM74721-Q1理想二極管控制器具有25μA的典型工作靜態(tài)電流。

圖 7-1 無 TVS 理想二極管控制器系統(tǒng)級 EMC 性能。

結(jié)論

處理能力的提高和電子系統(tǒng)尺寸的小型化增加了對高效率和高功率密度設(shè)計的需求。這讓系統(tǒng)設(shè)計人員面臨新的挑戰(zhàn)，尤其在設(shè)計汽車前端電源系統(tǒng)方面。前端反向電池保護系統(tǒng)直接影響總體系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。具有集成式 VDS 鉗位的理想二極管控制器可實現(xiàn)輸入側(cè)無 TVS的汽車反極性保護解決方案，從而降低了系統(tǒng)成本，將解決方案尺寸縮小了 70%，并提高了系統(tǒng)可靠性。