電源極性反轉保護方案

創(chuàng)新者：王 亮 李盤文 高志遠

電源極性反轉保護方案

創(chuàng)新者：王 亮 李盤文 高志遠

汽車和工業(yè)應用中絕大多數系統(tǒng)的電源輸入部分需要對極性的反轉做出快速響應，以保護系統(tǒng)正常工作，一般采用肖特基二極管實現。針對當前這種方案的缺陷，根據MOSFET的特點，設計NFET和智能二極管保護電路，對其原理進行分析和實驗，解決熱量高，功率損耗大等問題，更好地完成電源極性反轉保護功能。

汽車和工業(yè)應用中絕大多數系統(tǒng)的后端電路對過大的反向電壓和反向電流極其敏感，特別是在設備啟動和停止時，若是電源輸入部分不能對這種極性反轉做出快速響應，就有可能損害設備，危及安全。典型的電源輸入部分如圖1所示。

采用肖特基二極管D3來對抗極性反轉，但是肖特基二極管的前向壓降大約在0.4V左右，若通過電流為10A，在二極管上將產生4W的損耗，同時會產生大量的熱量，散熱不好的話溫度可達到或超過二極管極限工作值，影響系統(tǒng)使用和安全。

針對以上電路的缺陷，本文提出一種采用NFET和智能二極管的極性反轉保護解決辦法，即達到快速響應的目的，同時解決發(fā)熱、效率低問題，降低空間占用，滿足小尺寸要求。

MOSFET反轉保護原理

MOSFET簡介

MOSFET（金屬－氧化物半導體場效應晶體管）即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應來控制半導體（S）的場效應晶體管。

圖2是MOSFET的基本結構圖。生產時會將源極S和基極B在內部連接起來使用。為了改善某些參數的特性，如提高工作電流、提高工作電壓、降低導通電阻、提高開關特性等有不同的結構及工藝，構成所謂VMOS、DMOS、TMOS等結構。雖然結構不同，但其工作原理是相同的。

只要門極和源極電壓VGS達到開啟閾值VTH，源極S和漏極D就呈現導通狀態(tài)，具有極低的導通電阻RDS（ON），可以做到mΩ級別。功率型MOSFET由于工藝的原因，會在漏極和源極之間產生寄生二極管，也叫作本征二極管，合理利用這個本征二極管，可以達到極性反轉保護的目的。N溝道增強型電路符號如下。

反轉保護原理

圖4為采用NFET管子的極性反轉保護電路。

D1、D2兩只TVS管做瞬態(tài)保護，R1、R2兩只電阻做分壓電路，使G極電壓滿足開啟電壓VTH要求，D3穩(wěn)壓管保證VGS電壓不超過額定值。

當電源極性如圖上所示時，假設NFET管無電流通過，此時VGS=0V，小于VTH，管子截止，但是由于本征二極管的存在，VSD=V1，二極管導通并產生0.4V左右的前向壓降，此時，R1、R2和D3工作，使VGS＞VTH，NFET開啟，由于NFET管的RDS（ON）特別小，1mΩ一下，本征二極管兩端的電壓達不到它的導通電壓，所以本征二極管截止，若電流為10A，那么此時NFET管產生的壓降小于10mV，功耗小于0.1W，產生的熱量也遠遠小于肖特基二極管。

圖1 肖特基二極管極性保護電路

圖2 MOSFET結構圖

圖3 n溝道增強型MOSFET電路符號

圖4 NFET極性反轉保護電路

圖5 LM74610－Q1內部原理圖

圖6 LM74610－Q1控制下輸出電壓和VGS關系

圖7 LM74610－Q1應用電路圖

當電源極性反轉時，假設NFET為導通狀態(tài)，此時，VGS上為負壓，NFET迅速關閉，本征二極管為反接狀態(tài)，也是截止狀態(tài)，電路處于斷開狀態(tài)，VGS=0V，小于VTH，NFET管不會開啟。這樣就達到了極性反轉保護目的。

PFET和NFET選擇

表1為infineon兩款MOSFET的主要參數。

表1 PFET和NFET主要參數對比

可以看出，在同等VDSS下，PFET導通時電阻遠高于NFET，通過電流也小于NFET，所以一般情況下選擇NFET搭建極性反轉保護電路。

零靜態(tài)電流方案

上述的NMOSFET方案由于使用了R1、R2和D3，相比肖特基二極管方案，會有一定的靜態(tài)電流損耗，下面介紹一種采用TI智能二極管（Smart Diode）LM74610－Q1和NFET構成的零靜態(tài)電流極性反轉保護電路。

圖8 封裝占用尺寸對比

圖9 VIN=5V POUT=50W熱量對比

器件內部的電荷泵給外接電容充電，使其能夠驅動NFET的門極。大約98%的時間電容處于放電狀態(tài)，NFET處于開啟狀態(tài)，剩下2%的時間電容處于充電狀態(tài)，NFET處于截止狀態(tài)，本征二極管導通，會有0.4V左右的壓降，LM74610－Q1 沒有接地回路，與肖特基二極管相同，沒有靜態(tài)電流損耗。

輸出電壓和VGS關系如圖6所示。

T0時間段電容充電，NFET關閉，T1時間段電容放電，NFET開啟。

當ANODE和CATHODE管腳之間的電壓極性發(fā)生改變，GATE PULL DOWN管腳會迅速拉低，在2μs內將NFET關閉，完成極性保護。

完整的電路原理圖見圖7所示。

智能二極管和肖特基二極管占用PCB面積對比如圖8所示。

智能二極管和PFET管在5V輸入50W負載功耗下的溫度對比如圖9所示。

結語

在需要快速響應的反轉極性保護電路中，使用NMOSFET和智能二極管，可以完全替代肖特基二極管，同時具有功率損耗小，發(fā)熱量低，響應迅速的優(yōu)點，值得推廣和使用。

王 亮 李盤文 高志遠

中國飛行試驗研究院

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.028