前端反接保护：实用方案解析与探讨
前端反接保护：实用方案解析与探讨
在电子设备设计中，反接保护是一个至关重要的环节，尤其是在汽车电子等对安全性要求极高的领域。本文将深入探讨三种常见的反接保护方案：肖特基二极管方案、PMOS/NMOS方案以及理想二极管方案，帮助工程师们根据具体应用场景选择最适合的保护方案。
1、肖特基二极管方案
由于肖特基二极管具有正向导通电压，只能用于小电流场合，甚至于直接使用普通的整流二极管。比如 1A 电流，设 D1 的正向电压 VF = 0.3V，那么其自身功耗 P = 1A*0.3V = 0.3W。
若为 10A 就有 2W 了，发热量变得非常严重。这里未考虑二极管的两端电压实际是会随电流增大而增大的。
2、PMOS/NMOS方案
在大功率场合的应用中，考虑到 MOS 管的 RDS(on) 只有毫欧级别的电阻，相对于二极管的 Vf 电压会好很多。
1）PMOS方案工作原理
上电时，通过内部的寄生二极管，Vgs 电压大于 Vth 电压，PMOS 管完全导通。
调整 R1 与 R2 的比值，使 Vgs 的电压尽量高，RDS(on) 就会更小。
稳压二极管 D1 作为保护电路，用于避免 Vgs 超过其击穿电压。
2）NMOS方案工作原理
上电时，通过内部的寄生二极管，Vgs 电压大于 Vth 电压，NMOS 管完全导通。
调整 R1 与 R2 的比值，使 Vgs 的电压尽量高，RDS(on) 就会更小。
无论是 PMOS 还是 NMOS，都会添加稳压二极管与电阻作为保护电路，但是流过稳压二极管会有漏电流，这会增加整个系统的静态电流 Iq，在汽车应用中受到一定的限制。
一些原始设备制造商规定，车辆停放时，其电子控制单元（ECU）的总电流消耗应保持在以下水平：在 12V 电池供电系统中不超过 100µA，而在24V电池供电系统中则不超过 500µA。
3、理想二极管方案
在前端保护方面，肖特基二极管因其成本低廉和电路设计的简洁性，在小电流应用中表现出色。然而，随着电流强度的增加，该方案的功率损耗和热效应也日益显著，成为其局限性。
对于需要处理较大电流的应用场景，MOSFET 电路成为了一个可行的选择，但此时需根据具体的应用需求精心挑选 P-FET 或 N-FET。
P-FET 不适用于低压环境，并且不具备输入整流的功能。NMOS 相对于 PMOS 价格相对便宜，且 NMOS 的 RDS(on) 更小。详情移步：为什么NMOS管比PMOS管更受欢迎。
传统的两种反接保护方案在应对新型系统对低成本、小体积、低静态电流、高效率及多功能性的需求时显得力不从心。然而，采用能够驱动外部N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的智能理想二极管控制器，则能够完全满足这些要求。
比如LM74720-Q1，如图 3.1 所示。这些器件集成了所有必要的控制块，用于符合 EMC 标准的电池反向保护设计，并集成了用于驱动高侧外部 MOSFET 的升压稳压器，从而使正常运行期间的 IQ 为 27µA。
图3.1 低 IQ 理想二极管(来自于规格书)
再比如 MPQ5850-AEC1，它也是一款智能理想二极管控制器，可驱动外部 N-FET ，取代肖特基二极管或 P-FET 实现反向输入保护。该器件集成了内部升压电路，即使在低输入 VBATT 条件下，也能提供升压电压导通外部 N-FET。
图3.2 MPQ5850-AEC1功能框图
MPQ5850-AEC1 通过调制外部 N-FET 的栅极将源漏电压(Vsd)调节至 20mV。其20mV 超低压差可最大限度地减少功耗，并能够轻松检测到微小的负电流。