模擬芯視界 | 汽車系統(tǒng)中無 TVS 的反向電池保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

理想二極管反向電池保護(hù)系統(tǒng)通常包括一個(gè)理想二極管控制器、一個(gè) N 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)，以及一個(gè)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(dá) 70% 的解決方案空間，這在設(shè)計(jì)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(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(hù)和電磁兼容性 (EMC)。

驅(qū)動(dòng) N 溝道 MOSFET 的理想二極管控制器是一種低損耗反極性保護(hù)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(hù)外，輸入保護(hù)解決方案還應(yīng)保護(hù)下游電子電路免受各種系統(tǒng)級(jí)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(jí)瞬態(tài)事件。

典型的應(yīng)用電路包括一個(gè)驅(qū)動(dòng) N 溝道 MOSFET 的理想二極管控制器和一個(gè)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(shí)，會(huì)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 (t_d)，幅度 (U_S) 范圍為 –75V 至 –150V。兩個(gè)連續(xù)脈沖之間的總持續(xù)時(shí)間為 200ms (t₂)。還有由 ISO 7637-2 標(biāo)準(zhǔn)定義的其他低能量短時(shí)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(hù)電路中使用的輸入和輸出電容器可濾除這些短時(shí)瞬態(tài)，不會(huì)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(gè)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(dòng)車輛的最大瞬態(tài)電壓鉗位到 35V。但是需要保護(hù)電子電路，以免在關(guān)閉電感負(fù)載時(shí)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(yùn)行而不會(huì)出現(xiàn)任何損壞。

圖 2-2 顯示了一個(gè)實(shí)現(xiàn)理想二極管反極性保護(hù)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(xiàn)。對于空間受限的 ECU 設(shè)計(jì)（如 ADAS 攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá) ECU 以及 USB 集線器），去掉輸入側(cè) TVS 二極管并同時(shí)確?？煽康南到y(tǒng)級(jí) 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?yàn)殡姵睾偷鼐€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。

TI 的 LM74701-Q1 和 LM74721-Q1 理想二極管控制器集成了一種獨(dú)特功能，可實(shí)現(xiàn)無 TVS 的輸入反極性保護(hù)解決方案。該器件運(yùn)行一個(gè)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(dòng)，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(yùn)行方面的差異。

在 VDS 鉗位運(yùn)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(yùn)行是可接受的。在該事件中，鑒于掉電持續(xù)時(shí)間長達(dá) 200ms，不強(qiáng)制要求保持輸出電壓。

但是，反向電流保護(hù)是系統(tǒng)測試所需的一項(xiàng)關(guān)鍵功能，在測試中，電源中斷持續(xù)的時(shí)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(yùn)行不應(yīng)干預(yù)進(jìn)來，以確保實(shí)現(xiàn)反向電流保護(hù)。

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。

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(dá)到 VDS 鉗位閾值時(shí)，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(huì)從其標(biāo)稱值下降太多。這種運(yùn)行模式更適用于要求保持輸出電壓的系統(tǒng)級(jí) 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(shí)，理想二極管控制器將啟用柵極驅(qū)動(dòng)，外部 FET 將在飽和區(qū)域內(nèi)運(yùn)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 需要在功耗、系統(tǒng)級(jí)性能（例如反向電流阻斷）和解決方案成本之間達(dá)到最佳平衡。為此，可以先選擇一個(gè)通常在滿負(fù)載電流下提供 30mV 至 50mV 正向壓降的 MOSFET。

另一個(gè)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 VDS_CLAMP（最大值）檢測閾值。Equation1 計(jì)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：

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

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

• V_DSCLAMP 是理想二極管控制器的最大 V_CLAMP 閾值，

• R_S 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(yùn)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。

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 (I_{ISO_PEAK}/3)。所以，可根據(jù) Equation2 計(jì)算外部 MOSFET 上的平均功率耗散：

方程式 2

一個(gè) 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(yùn)行約 1ms。建議選擇一個(gè)具有以下安全工作區(qū) (SoA) 特性的 MOSFET：負(fù)載線對應(yīng)于 VDS_CLAMP（最大值）的 VDS 且漏極電流 (ID) 在 1ms 內(nèi)大于 (I_{ISO_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 。

使用無 TVS 的理想二極管控制器時(shí)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(jì)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(huì)出現(xiàn)負(fù)擺幅：

方程式 3

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

圖 7-1 說明了 LM74701-Q1 在以下情況下的系統(tǒng)級(jí)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(huì)干預(yù) VDS 鉗位的運(yùn)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(yùn)行，并且 MOSFET 上的能量耗散可實(shí)現(xiàn)無 TVS 運(yùn)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(jìn)行濾波的短時(shí)瞬態(tài)事件，不會(huì)影響器件性能和輸出電壓電平。

某些汽車 ECU 設(shè)計(jì)由始終處于通電狀態(tài)的負(fù)載組成，在有效運(yùn)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(hù)，LM74721-Q1 理想二極管控制器具有 25μA 的典型工作靜態(tài)電流。

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(jì)的需求。這讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨新的挑戰(zhàn)，尤其在設(shè)計(jì)汽車前端電源系統(tǒng)方面。前端反向電池保護(hù)系統(tǒng)直接影響總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。具有集成式 VDS 鉗位的理想二極管控制器可實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)無 TVS 的汽車反極性保護(hù)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。