SCD----PMOS防反電路設(shè)計(jì)

引言：無(wú)論是常規(guī)的低側(cè)NMOS防反接電路還是高側(cè)的PMOS防反接電路均有其局限性。本節(jié)簡(jiǎn)述采用驅(qū)動(dòng)IC加NMOS的方案做防反電路的設(shè)計(jì)及其優(yōu)點(diǎn)。

1高邊NMOS防反

PMOS的高邊防反接使用自驅(qū)效應(yīng)，但其存在待機(jī)電流偏大和電流反灌隱患，并且PMOS價(jià)格偏高，幾乎沒(méi)有使用驅(qū)動(dòng)IC+PMOS高邊防反這種設(shè)計(jì)，所以為了均衡價(jià)格因素和Rdson，消除待機(jī)電流偏大和電流反灌隱患（若單純使用高邊NMOS，也會(huì)有待機(jī)電流和電流反灌問(wèn)題），使用驅(qū)動(dòng)IC+NMOS這種高邊防反接設(shè)計(jì)。但這里并不是否定低邊NMOS防反和高邊PMOS防反，實(shí)際上低邊NMOS防反和高邊PMOS防反使用的更多，驅(qū)動(dòng)IC+NMOS這種方式一方面是為了應(yīng)對(duì)測(cè)試機(jī)構(gòu)的測(cè)試用例，一方面是應(yīng)對(duì)可預(yù)見(jiàn)的實(shí)際問(wèn)題。通常使用高邊PMOS防反接并沒(méi)有什么問(wèn)題。

使用高邊NMOS防反接，通常沒(méi)有足夠高的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O，此時(shí)可以使用驅(qū)動(dòng)IC來(lái)從高邊取電，輸出比S極更高的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)NMOS導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)IC有兩種：電荷泵型和Buck-Boost型，見(jiàn)圖11-1。帶驅(qū)動(dòng)IC這種形式，雖然這增加了電路的復(fù)雜性，但N溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻較低。

在大部分時(shí)間都處于正常連接供電場(chǎng)景中，由于電荷泵型和Buck-Boost型將額外消耗電流（需要不斷地工作產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓維持NMOS的開(kāi)啟），單純的高邊PMOS防反接效率反而更好。

圖11-1：高邊NMOS防反驅(qū)動(dòng)--->NMOS+驅(qū)動(dòng)IC

2.電荷泵驅(qū)動(dòng)NMOS

如圖11-2所示，這是一個(gè)采用電荷泵做NMOS驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)圖：

圖11-2：電荷泵驅(qū)動(dòng)NMOS高邊開(kāi)關(guān)

Ctrl控制電荷泵工作產(chǎn)生高壓驅(qū)動(dòng)NMOS導(dǎo)通工作。

如圖11-3是電荷泵驅(qū)動(dòng)內(nèi)部圖，Ci是小電容，充放電速度快，Co是大電容，負(fù)載能力強(qiáng)。通過(guò)頻繁的開(kāi)關(guān)，S1、S2和S3、S4就能不斷地將Ci上的電荷搬運(yùn)到Co上，而Co是相對(duì)于輸入電壓，因此我們就能夠得到比輸入電壓更高的驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)NMOS導(dǎo)通時(shí)，使能開(kāi)關(guān)S0。當(dāng)不需要驅(qū)動(dòng)NMOS導(dǎo)通時(shí)，失能S0。

圖11-3：電荷泵驅(qū)動(dòng)NMOS高邊開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)圖

采用電荷泵型的驅(qū)動(dòng)方案，整體物料少，成本較低，適用于電流不大的場(chǎng)景。

3.Buck-Boost型驅(qū)動(dòng)NMOS

如圖11-4所示，是一個(gè)基于Buck-Boost拓?fù)涞腘MOS驅(qū)動(dòng)拓?fù)洹．?dāng)Buck-Boost的S1導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓通過(guò)電感儲(chǔ)能，電感電壓上正下負(fù)。當(dāng)Buck-Boost的S1關(guān)斷時(shí)，電感產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，下正上負(fù)，通過(guò)二極管給電容C1充電，這樣C1的電壓就會(huì)高于輸入電壓，也即VGS大于開(kāi)啟閾值。

圖11-4：電感通過(guò)二極管釋放能量，電感電壓上負(fù)下正給電容充電

采用Buck-Boost型的防反方案，IC的驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，EMC性能好，適用于大電流，追求高性能的場(chǎng)合，比如汽車(chē)各類(lèi)域控制器、汽車(chē)音響系統(tǒng)，汽車(chē)USB PD充電器。

4.兩種驅(qū)動(dòng)方式的比較

當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)NMOS導(dǎo)通時(shí)，使能S0就能驅(qū)動(dòng)NMOS可靠導(dǎo)通。Buck-Boost型有更大的驅(qū)動(dòng)電流能力。Buck-Boost型防反驅(qū)動(dòng)能更快地響應(yīng)輸入電壓的各種波動(dòng)，其中最典型的當(dāng)屬輸入疊加高頻交流紋波。當(dāng)輸入疊加交流紋波時(shí)，Buck-Boost型防反驅(qū)動(dòng)能快速響應(yīng)（帶反饋），圖11-5是輸入疊加100KHZ峰值兩幅條件下的實(shí)測(cè)波形：

圖11-5：Buck-Boost型防反驅(qū)動(dòng)響應(yīng)波形

紫色是輸入防反NMOS的輸入電壓，淺藍(lán)色防反NMOS的D級(jí)輸出電壓，雖然輸入電壓波動(dòng)很大，但是經(jīng)過(guò)NMOS后反而變得平順了。紅色是MOSFET驅(qū)動(dòng)VGS電壓，綠色是負(fù)載電流。可以看到，當(dāng)輸入電壓處于波動(dòng)過(guò)程中，當(dāng) VS 低于VD時(shí)，關(guān)閉NMOS驅(qū)動(dòng)，防止電容電流反灌。當(dāng)VS高于VD時(shí)，開(kāi)啟NMOS驅(qū)動(dòng)，及時(shí)驅(qū)動(dòng)主溝道導(dǎo)通，避免只有體二極管導(dǎo)通。

圖11-6：電荷泵型防反驅(qū)動(dòng)響應(yīng)波形

電荷泵型防反驅(qū)動(dòng)由于驅(qū)動(dòng)電流能力不強(qiáng)，所以需要更頻繁的搬移電荷。當(dāng)輸入疊加高頻交流紋波時(shí)，有可能會(huì)出現(xiàn)如圖11-7所示G極驅(qū)動(dòng)脈沖丟失或者G極驅(qū)動(dòng)脈沖常開(kāi)的現(xiàn)象。圖11-6是實(shí)測(cè)采用電荷泵型防反驅(qū)動(dòng)的波形。黃色是防反NMOS輸入電壓，紅色是NMOS的輸出D極電壓，綠色是NMOSFET的驅(qū)動(dòng)VGS電壓，藍(lán)色是負(fù)載電流。在門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)脈沖丟失的時(shí)間內(nèi)， NMOS無(wú)驅(qū)動(dòng)，體二極管導(dǎo)通存在巨大熱損耗，同時(shí)在下一次開(kāi)通瞬間存在較大的充電電流尖峰。在門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)脈沖常開(kāi)的時(shí)間內(nèi)，相當(dāng)于NMOS常通，電解電容反復(fù)充放電，導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重。

圖11-7：電荷泵型防反驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)影響

其次是EMC問(wèn)題，采用電荷泵型的防反驅(qū)動(dòng)，雖然沒(méi)有電感，但它屬于電容式開(kāi)關(guān)電源，其效率低，工作頻率高。因?yàn)?a target="_blank">芯片內(nèi)部集成的電容一般容值不大，是pF級(jí)別，芯片外圍給MOS做驅(qū)動(dòng)的電容一般容值較大，是uF級(jí)別。如需要在1ms內(nèi)將NMOS的驅(qū)動(dòng)電壓升起來(lái)，則必然需要反復(fù)將pF級(jí)別的電容電荷搬運(yùn)到uF級(jí)別的電容上，其開(kāi)關(guān)頻率不可避免在10MHZ以上，這就有可能帶來(lái)潛在的EMC風(fēng)險(xiǎn)，如圖11-8所示：

圖11-8：電荷泵型驅(qū)動(dòng)帶來(lái)的EMC隱患實(shí)測(cè)

采用Buck-Boost的防反驅(qū)動(dòng)，其效率遠(yuǎn)高于電荷泵性。芯片內(nèi)部一般采用定峰值電流模式，這種模式負(fù)載越輕，開(kāi)關(guān)頻率越低。而MOSFET是電壓型器件，其電流消耗很小，因此開(kāi)關(guān)頻率極低，幾乎沒(méi)有EMC的問(wèn)題。

圖11-9：ISO7637-Pulse1測(cè)試波形

圖11-10：ISO16750-4.6測(cè)試波形

圖11-11：ISO7637-Pulse5b測(cè)試波形

圖11-12：ISO16750-4.4測(cè)試波形

如圖11-9至圖11-12所示的測(cè)試機(jī)構(gòu)電源測(cè)試波形，采用Buck-Boost型的驅(qū)動(dòng)IC，其EMC測(cè)試結(jié)果能完美通過(guò)國(guó)標(biāo)等級(jí)5的測(cè)試，配合合適的外圍參數(shù)設(shè)計(jì)，能夠輕松應(yīng)對(duì)各種電源線(xiàn)抗老實(shí)驗(yàn)，是汽車(chē)電子產(chǎn)品可靠的前端防反設(shè)計(jì)。