电源极性反转保护方案

创新者：王 亮 李盘文 高志远

电源极性反转保护方案

创新者：王 亮 李盘文 高志远

汽车和工业应用中绝大多数系统的电源输入部分需要对极性的反转做出快速响应，以保护系统正常工作，一般采用肖特基二极管实现。针对当前这种方案的缺陷，根据MOSFET的特点，设计NFET和智能二极管保护电路，对其原理进行分析和实验，解决热量高，功率损耗大等问题，更好地完成电源极性反转保护功能。

汽车和工业应用中绝大多数系统的后端电路对过大的反向电压和反向电流极其敏感，特别是在设备启动和停止时，若是电源输入部分不能对这种极性反转做出快速响应，就有可能损害设备，危及安全。典型的电源输入部分如图1所示。

采用肖特基二极管D3来对抗极性反转，但是肖特基二极管的前向压降大约在0.4V左右，若通过电流为10A，在二极管上将产生4W的损耗，同时会产生大量的热量，散热不好的话温度可达到或超过二极管极限工作值，影响系统使用和安全。

针对以上电路的缺陷，本文提出一种采用NFET和智能二极管的极性反转保护解决办法，即达到快速响应的目的，同时解决发热、效率低问题，降低空间占用，满足小尺寸要求。

MOSFET反转保护原理

MOSFET简介

MOSFET（金属－氧化物半导体场效应晶体管）即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。

图2是MOSFET的基本结构图。生产时会将源极S和基极B在内部连接起来使用。为了改善某些参数的特性，如提高工作电流、提高工作电压、降低导通电阻、提高开关特性等有不同的结构及工艺，构成所谓VMOS、DMOS、TMOS等结构。虽然结构不同，但其工作原理是相同的。

只要门极和源极电压VGS达到开启阈值VTH，源极S和漏极D就呈现导通状态，具有极低的导通电阻RDS（ON），可以做到mΩ级别。功率型MOSFET由于工艺的原因，会在漏极和源极之间产生寄生二极管，也叫作本征二极管，合理利用这个本征二极管，可以达到极性反转保护的目的。N沟道增强型电路符号如下。

反转保护原理

图4为采用NFET管子的极性反转保护电路。

D1、D2两只TVS管做瞬态保护，R1、R2两只电阻做分压电路，使G极电压满足开启电压VTH要求，D3稳压管保证VGS电压不超过额定值。

当电源极性如图上所示时，假设NFET管无电流通过，此时VGS=0V，小于VTH，管子截止，但是由于本征二极管的存在，VSD=V1，二极管导通并产生0.4V左右的前向压降，此时，R1、R2和D3工作，使VGS＞VTH，NFET开启，由于NFET管的RDS（ON）特别小，1mΩ一下，本征二极管两端的电压达不到它的导通电压，所以本征二极管截止，若电流为10A，那么此时NFET管产生的压降小于10mV，功耗小于0.1W，产生的热量也远远小于肖特基二极管。

图1 肖特基二极管极性保护电路

图2 MOSFET结构图

图3 n沟道增强型MOSFET电路符号

图4 NFET极性反转保护电路

图5 LM74610－Q1内部原理图

图6 LM74610－Q1控制下输出电压和VGS关系

图7 LM74610－Q1应用电路图

当电源极性反转时，假设NFET为导通状态，此时，VGS上为负压，NFET迅速关闭，本征二极管为反接状态，也是截止状态，电路处于断开状态，VGS=0V，小于VTH，NFET管不会开启。这样就达到了极性反转保护目的。

PFET和NFET选择

表1为infineon两款MOSFET的主要参数。

表1 PFET和NFET主要参数对比

可以看出，在同等VDSS下，PFET导通时电阻远高于NFET，通过电流也小于NFET，所以一般情况下选择NFET搭建极性反转保护电路。

零静态电流方案

上述的NMOSFET方案由于使用了R1、R2和D3，相比肖特基二极管方案，会有一定的静态电流损耗，下面介绍一种采用TI智能二极管（Smart Diode）LM74610－Q1和NFET构成的零静态电流极性反转保护电路。

图8 封装占用尺寸对比

图9 VIN=5V POUT=50W热量对比

器件内部的电荷泵给外接电容充电，使其能够驱动NFET的门极。大约98%的时间电容处于放电状态，NFET处于开启状态，剩下2%的时间电容处于充电状态，NFET处于截止状态，本征二极管导通，会有0.4V左右的压降，LM74610－Q1 没有接地回路，与肖特基二极管相同，没有静态电流损耗。

输出电压和VGS关系如图6所示。

T0时间段电容充电，NFET关闭，T1时间段电容放电，NFET开启。

当ANODE和CATHODE管脚之间的电压极性发生改变，GATE PULL DOWN管脚会迅速拉低，在2μs内将NFET关闭，完成极性保护。

完整的电路原理图见图7所示。

智能二极管和肖特基二极管占用PCB面积对比如图8所示。

智能二极管和PFET管在5V输入50W负载功耗下的温度对比如图9所示。

结语

在需要快速响应的反转极性保护电路中，使用NMOSFET和智能二极管，可以完全替代肖特基二极管，同时具有功率损耗小，发热量低，响应迅速的优点，值得推广和使用。

王 亮 李盘文 高志远

中国飞行试验研究院

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.028