电源入口处防反接电路-汽车电子硬件电路设计

一、为什么要设计防反接电路

电源入口处接线及线束制作一般人为操作，有正极和负极接反的可能性，可能会损坏电源和负载电路；

汽车电子产品电性能测试标准 ISO16750-2的4.7节包含了电压极性反接测试，汽车电子产品须通过该项测试。

二、防反接电路设计

1.基础版：二极管

串联二极管是最简单的防反接电路，因为电源有电源路径（即正极）和返回路径（即负极，GND），那么用二极管实现的防反接电路就既可以串接在电源正极，也可以串接在电源负极，如下图：

这两种是实现防反接的最简单的形式，成本低，但也有明显的局限性和缺点：

二极管有正向导通压降，因此，若其串联在电源路径上，那么负载电路入口处的电压会比电源输出电压低一些；若其串联在返回路径上，则负载电路的GND与电源的GND有压差。

二极管通流能力有限，无法应对较大电流的负载电路。

二极管发热严重，会有overheat风险。

如果使用二极管无法满足实际需求，那么可以使用后面的两种方式。

2.基础版plus：MOSFET

MOSFET导通压降小，导通阻抗低，可以解决二极管防反电路的部分缺点。和二极管一样，有电源路径和返回路径两种设计方式，如下图：

由于MOSFET自身特性的原因，若仅仅使用singe FET进行电路设计，那么电源路径上只能使用PMOS，返回路径只能使用NMOS，它们与二极管相比，有更小的导通压降，更低的温升，更大的通流能力（大部分）。

PMOS和NMOS相比，各自的缺点如下：

PMOS防反接电路：同样size的PMOS与NMOS相比，POMS的Rdson更大，因此同样性能下，PMOS会比NMOS更贵，尤其是应用在大电流电路中，常常需要好几个MOSFET并联在一起实现更大的通流，那成本上就会有更大的差异。

NMOS防反接电路：只能放在返回路径上，但和二极管放在返回路径上一样，还是有导通压降（虽然小了很多），相当于地平面不是处处电压相等。

总体来看PMOS和NMOS的防反接电路设计虽然比二极管电路设计相比有明显进步，但依旧有其各自的缺点。那么，有没有什么方式，可以既使用NMOS（成本低），又能避免lift up GND呢？
当然有，那就是结合起来，把NMOS放到电源路径上（高边），然后用更高的电压驱动NMOS打开。

3.进阶版：NMOS+ FET controller

FET controller有很多种选择，并且也有很多除了防反接以外的功能（其它功能稍后讲）。举一个简单的例子，TI的LM5050-1-Q1芯片。它的经典应用电路长这样：

它的内部长这样：

电源上电时，电压通过NMOS的body diode流向芯片的OUT及VS引脚（因此选择MOSFET时，通流能力不仅要看ID，还要看Is，即continuous source current），VS引脚内部是charge pump，当输入电压及其它条件（比如enable之类的）均满足时，芯片就会通过charge pump给其GATE引脚（即外部NMOS的栅极）充电，这样充电会增加芯片IN引脚和GATE引脚之间的压差，也就是NMOS栅极和源极之间的压差，增大到一定程度后，NMOS就会被打开，那么电源就会通过NMOS的Rds流向负载，而不再是NMOS的体二极管。这就降低了电源路径上的压降。

至此，一个较为合格的基础防反接电路（压降小，成本低，通流能力强）就成了。

当然这里举的FET controller例子是LM5050-1-Q1，它驱动栅极的方式是charge pump，主要目的是将NMOS的gate抬高到比source更高的电压。除了charge pump还有一个抬高电压的方式，那就是boost regulator。
LM74722-Q1就是这样的方式，它的经典应用电路及block diagram长这样：

charge pump和boost regulator这两种驱动方式相比，差异主要是boost regulator成本更高，但具有更强的driving ability和更好的EMC performance。

3.其它功能

a. ENABLE/OFF

这是一个比较基础的功能，就是控制FET controll是否工作；

b. switch function

比如上面提到的LM5050-1-Q1，MOSFET的打开只是降低电源路径的压降，减少损耗，但即使MOSFET关掉，供电电源的电流还是会通过body diode流向负载，但有一些FET controller可以顺带实现开关的功能，即MOSFET没有打开时，不会有电流流向负载。这个功能也比较好实现，那就是放一个与当前NMOS背对背的NMOS，如下图：

红框中的NMOS的body diode与它右侧的NMOS相反，这样就能阻值电流直接从电源流向负载。

c. UV/OV protection

这个也比较好实现，内部增加比较器就可以，上图的LM74502-Q1就有这个功能。

d. reverse current block

这个reverse polarity protection情况不同，主要是触发条件不同。reverse polarity protection是由于电源正负极接反，导致电流可能出现反向流动所以要保护，但reverse polarity protection是电源正负极没有接反且功能正常运行时，Cout也有了一个稳定的电压 （例如14V），但是由于供电电源因为某些原因（比如进行电性能测试/ESD测试/雷击等，具体见汽车电子产品硬件电路设计——电源入口处TVS选择）有瞬间跌落，此时输入电压已经跌至＜14V，但是VOUT部分由于有Cout的存在，从原本的14V开始放电，那么此时，下图中，VOUT＞VBATT：

此时两个NMOS还在打开中，就会有电流从VOUT流向VBAT，从而发生电流倒灌，这种电流倒灌可能会对供电电源产生危害，或者损坏NMOS（具体见link）。因此，我们要做的是blocking这个reverse current。
目前常见的处理方式是用比较器，比如LM74700，其内部结构见下图：

输入电压和输出电压会分别通过ANODE和CATHODE引脚进入芯片，进入一个-11mv的比较器，如果检测到输入电压比输出电压低11mV以上，芯片就会马上关掉外部NMOS（这个响应速度一般不会超过1us），这样反向电流就会被NMOS上的body diode阻断。

参考：

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