一种基于LM74700D-Q1大电流防反功能在车载产品的方案设计

摘要：随着科技的发展，车内各个域控制器的融合度越高，系统就变得越复杂，需要提供给产品的电流越来越大，对于产品防反电路设计难度也越来越大。以德州仪器半导体的LM74700D—Q1为防反电路芯片为研究对象。该器件它与外围N沟道MOSFET配合工作，可作为理想二极管整流器，并利用20 mV正向压降实现低损耗反向保护，它能够快速响应反向电流阻断，适用于在ISO7637—2脉冲测试以及电源故障和输入微短路条件下要求保持输出电压的系统。

关键词：防反；大电流；NMOS；低功耗

中图分类号：U462 收稿日期：2024-08-06

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.023

1 前言

随着社会的发展，车辆越来越智能，车内域的融合越来紧密，域控制器所需要的电流越来越大，对于防反电路的要求越来越高。传统防反电路存在一些不足，如二极管防反电路存在驱动电流小、损耗大等。PMOS防反电路也存在待机电流较大、电流容易反灌、成本较贵等缺点［1］。因此，具有更大电流、更低静态功耗、更低成本的防反电路的需求越来越大。本系统设计基于TI LM74700D—Q1设计与外围N沟通MOSFET组成防反电路，可以支持更大电流、更低静态电流与成本更低等优点，故在车身控制或者座舱娱乐系统等大电流需求的产品上有广阔的市场和发展前景。

2 防反电路原理和课题背景

电源的正负极一旦接反，就会导致很多电子元器件烧毁。为了避免电池反接对设备造成的危害，车载产品都需要引入电池防反接保护电路。电池防反接保护电路的原理就是在电路中增加一个反向保护电路［2］。

主要的保护原理有两种，分别是串联和并联。串联保护是通过在电路中增加一个开关管，当电池的正负反向连接时，开关管能够抑止其导通，进而保护负载不受到电池的反向电压的伤害。并联保护则是通过增加一个反向二极管来实现dyYmX4CHfNujtlParxxem9eYeGWTxQFvGmuYELBpVfY=［3］。当电池反接时，二极管能够自动导通，将电池反向的电流拉低，使得电路中的电流绕过电路内部流过，从而保护电池和相关电子设备，并联保护一般要结合保险丝一起使用，在使用时要注意保险丝的熔断电流要大于后级负载正常的工作电流，这样电路正常使用时不能熔断。

当前，域控制器所需电流越来越大，如车身控制或者座舱娱乐系统所需要求最小30 A以上。30 A以上大电流使用传统二极管或者PMOS，散热功率往往达不到标准，同时静态电流较高，防车载脉冲能力较弱，车载交流叠加波纹声音异响，成本高等，而基于LM74700—Q1的大电流防反方案能解决这些难题。

3 大电流防反电路设计

3.1 LM74700-Q1的防反电路设计

LM74700—Q1反极性保护应用要与N沟道MOSFET控制器一起使用。如图1所示，其中D201的TVS 用于防止车载的脉冲Pulse 5b保护，而C212～C215、C217～C220、C204～C209电容用于电池线输入高频滤波用于保护。C223、C226、C227、C224输出电容是用于避免后端的电流波动干扰。C202～C203电容为电荷泵电容，用于将外部N沟道MOSFET驱动至15 V的最大栅极驱动电压。

MOSFET两端的电压降在LM74700—Q1的阳极和阴极引脚之间检测［4］。当两端电压检测到-11～50 mV，LM74700Q1工作在正向调节模式，通过调整GATE到ANODE电压，可以将ANODE到CATHODE电压调节到20 mV。这个闭环调节方案可以在非常小的负载下调整关闭外挂的MOSFET，并确保零DC反转电流。

当两端电压检测到大于50 mV的典型情况时，LM74700Q1工作在全导通模式下，这时GATE与ANODE压降最大，以保证外部MOSFET的RDS（ON）完全导通过。当ANODE到CATHODE电压小于-11 mV时，进入反向电流保护进入模式，GATE内部连接到ANODE阳极以禁用外部MOSFET，这样MOSFET的体内二极管阻止任何反向电流从输出口流向输入口。

当控制端BAT_EN输出为低电平，LM74700Q1进入关断模式，电路通过外部MOSFET的正向电流不中断，而是通过MOSFET的体内的二极管到产品后端，这时LM74700Q1静态电流最低，最小可以达到1 µA，这样可以保证产品更低的功耗。而传统的PMOS管，G极控制端需要一直控制打开，故静态电流较高。

3.2 EMC设计

采用传统的二极管或者PMOS管做大电流防反设计，其反向电压达不到100 V，防ISO7637—2的脉冲能力较弱。而基于LM74700—Q1的应用方案在设计IC前端增加一个双向的TVS管，本设计方案TVS为SMBJ36CA，在脉冲1实验中，可以嵌位-44 V以内，这样就可以满足IC最大电压为-65～65 V工作范围内。同时为了避免脉冲5 b对于整机后端电源瞬态的影响，在设计中使用输出电容C223为4.7 uF，C226为1 uF，C227为100 NF，C224为47 uF，可以避免ANODE到CATHODE压降瞬态变化，从而快速调整MOSFET的GS，防止MOSFET 瞬态而损坏。最后本设计方案中，ANODE到CATHODE 采样电压范围大约为-11～50 mV，对于如此高精度的电压检测，Layout中建议LM74700Q1的ANODE、GATE和CATHODE三个PIN 必须靠近MOSFET的源极、控制端、栅极端。这样可以避免由于线宽太长导致MOSFET关断延迟。

3.3 过温保护电路

使用LM74700-Q1作为防反电路设计时，如果外挂的NMOS管电流一直持续增大，NMOS内部温度会不断增加，从而影响周围器件的温度。为了保证电路稳定可靠，需要在NMOS比较近的位置放置一个NTC温度传感器［5］，如图2中的NMOSNTC温度检测所示。R0653位置的NTC传感器要靠近NMOS放置，当检测到NMOS温度过高时，MCU对整体系统进行降额设计，如高温条件下不允许座椅加热、后除霜加热、车内通风加热或者其他功能打开，从而保证产品更加稳定可靠。

4 结构散热设计

为了支持更大的电流输出，外挂NMOS 选用安世供应商提供的BUK7J1R4-40H。这款NMOS支持175 ℃结温工作环境，有较低的Rdson导通电阻和较高大电流输出能力［4］。其Rdson导通的最大内阻为1.4 mΩ，当输出电流I=50 A，则NMOS的功耗P=3.5 W。如此大的功耗，如果单靠散热铜皮散热，温升很容易瞬态增加，从而引起IC因为能量而损坏，本设计使用铸铝后盖，如图3中的NMOS散热铸铝后盖。这样，从设计角度保证热阻系数足够小，大约为Rja=6 ℃/W，在电流50 A条件下，温升理论计算ΔT=PRja=21 ℃。如果负载电流需求更高，如负载电流极限条件下100 A，在高温85°条件下，NMOS结点温度理论计算Tjunction=Ta+PRja=169 ℃，也可以满足其结温不要超过175 ℃的要求。

5 软件方案设计

基于TI LM74700—Q1工作流程如图4所示。首次MCU程序进入初始化，当整车收到点火报文后，延迟1 s，等电源稳定后，MCU会置BAT_EN为高电平，TI LM74700—Q1处于工作模式，它会根据后端负载电流的情况自动调整工作模式，当外置NMOS位置温度较高，目前系统设置高于120 ℃，并且持续时间10 s以上，MCU通知其他模块的负载电流降额输出，如座椅加热或者后除霜加热，或者车内通风加热等功能限制输出，然后再延迟15 min，再重新检测，如果温度会降下来，会退出当前状态，重新检测当前点火报文是否还存在，如果不存在，MCU会置BAT_EN为低电平，这样TI LM74700—Q1处于低功耗模式，流程结束。

6 防反电路的车载产品应用

6.1 应用于车身域控制器

如图5所示，车身域控制器负载一般分为U2—车灯控制，其电流大约10A；U3—车窗控制，其电流大约为20 A；U4—空调控制，其电流大约为3A；U5—座椅移动控制，其电流大约15 A；U6—座椅加热控制，其电流大约15 A；U7车门控制，其电流大约20 A；U8系统外设IC供电，其电流大约5 A。系统共计大约为88 A，如些大的电流，如果使用PMOS做防反电路时，要求MOSFET内部导通电阻一定非常小，成本非常高，因此有必要研发和应用一种基于TI LM74700Q1防反电路。在使用这类电路时，特别在高温条件下，可以考虑某些模块降额工作或者不工作，这样可以降低防反电路外围NMOS管功耗。图5所示的防反电路，在高温条件下可以考虑座椅加热功能不开启，这样系统变得稳定。

6.2 应用于智能座舱娱乐系统

如图6所示，车载座舱娱乐系统负载一般分为M2—前扬声器功放，其电流大约10 A；M3—后扬声器功放，其电流大约为10 A；M4-SOC PMIC供电系统，其电流大约为6 A；M5—MCU PMIC供电系统，其电流大约3 A；M6—SOC外置IC供电系统，其电流大约5 A；M7—MCU外置IC供电系统，其电流大约3 A；U8系统外设供电，其电流大约10 A。系统共计大约为47 A。这类电流一般选PMOS管的成本也是比较高，故基于TI LM74700Q1防反电路设计也适用于此。建议电流大于30 A以上时选用这类防反电路设计，这样性价比会更高。如图6所示，高温条件下也可以考虑前后扬声器功放功率降低音量输出，这样会使系统变得更稳定。

7 实验测试及分析

7.1 温度测试

为了验证电路的功能及性能，根据图4的流程图搭验证不同的电流，分别进行负载电流为1 A、10 A、20 A、30 A、40 A、50 A、60 A、70 A、80 A，在温度为25 ℃、60 ℃、85 ℃时的NMOS表面测试，测试2 h，实验测试结果如表1所示。

从表1可知，在85 ℃温度条件下，会触发软件保护策略，这里PCB检测到NTC的温度120°，如果这样MCU降额不允许某个大功率电流执行相关负载，如车身域控制器产品的座椅加热功能执行在高温条件不执行，从而降低负载电流，保证产品的稳定性。

7.2 交流叠加纹波测试

采用传统的PMOS做防反电路设计，在做交流叠加波纹实验时，由于PMOS是通过MOSFET DS两端压降全导通的，纹波电压大，声音异响；而经过TI LM74700Q1防反电路之后，纹波电压小，声音异响轻微。详细的实验数据如表2所示。

8 结语

本文设计了基于LM74700D—Q1大电流防反功能在车载产品的方案。该方案防反电流较高，静态电流较低，成本较低，散热功率较好，同时也能防止电源叠加交流异响，防脉冲能力强等，适用于车身控制器或者智能座舱娱乐系统等需要大电流的车载产品，故它具有广阔的市场以及发展前景。

参考文献：

[1]清华大学电子教研组编.模拟电子技术[M].5版.北京：高等教育出版社，2015.

[2]TI LM74700—Q1规格书[Z].2021.

[3]安世半导体BUK7J1R4—40H规格书[Z].2023.

[4]ISO 7637—2011，道路车辆来自传导和耦合的电气干扰的第2部分[S].

[5]GB/T 28046.2—2011 叠加交流电压[S].