采用NMOS+驅(qū)動(dòng)IC做防反電路設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

在上期視頻和文章中，我們介紹了汽車電子產(chǎn)品中和防反相關(guān)的各種復(fù)雜的脈沖測(cè)試，常見防反電路的類型，以及采用 PMOS 做防反電路設(shè)計(jì)時(shí)的缺點(diǎn)。

今天我們書接上回，繼續(xù)防反電路 PMOS 的話題。本期為下篇。

在這一期中，我們將介紹采用 “NMOS + 驅(qū)動(dòng) IC” 的方案做防反電路的設(shè)計(jì)及其優(yōu)點(diǎn)。

所謂 “NMOS + 驅(qū)動(dòng) IC” 做防反設(shè)計(jì)，指的是將 NMOS 置于高邊，驅(qū)動(dòng) IC 也從高邊取電，內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)高于 Vin 的電壓，給 NMOS 提供 Vgs 驅(qū)動(dòng)供電。

根據(jù)此驅(qū)動(dòng)電源的產(chǎn)生原理，驅(qū)動(dòng) IC 可分為 Charge Pump(電荷泵)型和 Buck-Boost(升降壓)型;

如下圖所示，即為這兩種方案的特點(diǎn)：

采用 Charge Pump 型的防反方案，整體 BOM 少，成本較低，適用于電流不大，追求高性價(jià)比的場(chǎng)合，比如汽車 USB-PD 大功率充電模塊等。

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，比如汽車各類域控制器，汽車音響系統(tǒng)等;

下面我們?cè)敿?xì)介紹一下這兩種驅(qū)動(dòng) IC 的工作原理。

如下圖所示，這是一個(gè)采用電荷泵做 NMOS 驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單工作原理。

在 CLK 周期內(nèi)，先令 S1/S2 導(dǎo)通，將內(nèi)部相對(duì)于地的電壓源電壓給 C0 充電，然后令 S3/S4 導(dǎo)通，將電容 C0 上的電壓給電容 C1 充電。C0 是小電容，充放電速度快，C1 是大電容，負(fù)載能力強(qiáng)，因此通過(guò)頻繁地開關(guān) S1/2 和 S3/4，就能不斷地將 C0 上的電荷搬運(yùn)到 C1 上，而 C1 的負(fù)端連接電池電壓，因此我們就得到高于電池的電壓，用來(lái)給 NMOS 的門極做驅(qū)動(dòng)。

如下圖所示，這是一個(gè)采用 Buck-Boost 拓?fù)涞?NMOS 驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單工作原理。

這種 Buck-Boost 拓?fù)涫菍⒐β?MOS 置于 Low Side 的 Buck-Boost 拓?fù)洹?/p>

當(dāng) Buck-Boost 的 MOS 管 S_bst 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 MOS 管 S_bst 關(guān)斷時(shí)，電感通過(guò)二極管釋放能量，電感電壓上負(fù)下正，給電容 C1 充電;

這樣我們就能在 C1 上獲得高于電池的電壓，用來(lái)給 NMOS 的門極做驅(qū)動(dòng)了。

之前有提到，采用Buck-Boost型防反驅(qū)動(dòng)IC具有更好的性能優(yōu)勢(shì)，這又是為何呢?

這種優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在如下兩點(diǎn)：

優(yōu)勢(shì)一

Buck-Boost 型防反驅(qū)動(dòng) IC 具有更大的驅(qū)動(dòng)電流能力，能更快的響應(yīng)輸入各種擾動(dòng)。

我們用輸入疊加高頻交流紋波脈沖舉例說(shuō)明。

上圖是輸入疊加100kHz，峰峰值2V條件下的實(shí)測(cè)波形;紫紅色是輸入防反 MOSFET 的 SOURCE 極電壓，淺藍(lán)色是經(jīng)過(guò)防反 MOSFET 的 DRAIN 極電壓，紅色是 MOSFET 驅(qū)動(dòng) Vgs 電壓，綠色是負(fù)載電流。

可以看到，驅(qū)動(dòng) IC 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) NMOS 的漏極和源極。輸入電壓和源極電壓一致，系統(tǒng)電壓和漏極電壓一致。當(dāng)源極電壓低于漏極電壓，即輸入電壓低于系統(tǒng)電壓時(shí)，關(guān)閉 MOSFET 驅(qū)動(dòng)，體二極管實(shí)現(xiàn)防反功能，防止電容電流反灌;當(dāng)源極電壓高于漏極電壓，即輸入電壓高于系統(tǒng)電壓時(shí)，導(dǎo)通 MOSFET 驅(qū)動(dòng)，避免體二極管導(dǎo)通，影響效率。

如果采用電荷泵型防反驅(qū)動(dòng)，由于其驅(qū)動(dòng)電流能力不強(qiáng)，在輸入電壓快速波動(dòng)時(shí)，容易產(chǎn)生門極驅(qū)動(dòng)脈沖丟失或者常開的異?，F(xiàn)象。

下圖是實(shí)測(cè)采用電荷泵型防反驅(qū)動(dòng)的波形，黃色是防反 MOSFET 的輸入SOURCE 極電壓，紅色是 MOSFET 的輸出 DRAIN 極電壓，綠色是 MOSFET 的驅(qū)動(dòng) Vgs，藍(lán)色是負(fù)載電流。

在門極驅(qū)動(dòng)脈沖丟失的時(shí)間內(nèi)，MOS 無(wú)驅(qū)動(dòng)，體二極管導(dǎo)通，存在巨大熱損耗，同時(shí)在下一次開通瞬間，存在較大的充電電流尖峰;

在門極驅(qū)動(dòng)脈沖常開的時(shí)間內(nèi)，MOS 常通，電解電容反復(fù)充放電，導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重。

優(yōu)勢(shì)二

Buck-Boost 型防反驅(qū)動(dòng) IC 具有更好的 EMC 性能。

可能有工程師會(huì)質(zhì)疑，采用 Buck-Boost 這種開關(guān)電源拓?fù)?，是否?huì)有 EMC 的問(wèn)題呢?

其實(shí)恰恰相反，電荷泵雖然沒(méi)有電感，但它是電容式開關(guān)電源，電荷泵由于效率低，所以需要很高的工作頻率。一般而言，芯片內(nèi)部集成的電容容值不大，是 pF 級(jí)，而芯片外用于給 NMOS 做驅(qū)動(dòng)的電容，需要容值較大，是 uF 級(jí)。這樣我們的 Charge Pump 開關(guān)頻率不可避免在10M以上，而這樣的高頻，就有可能帶來(lái) EMI 的潛在威脅。

采用 Buck-Boost 拓?fù)涞姆婪打?qū)動(dòng)，其效率遠(yuǎn)高于電荷泵拓?fù)?。且這類驅(qū)動(dòng) IC 內(nèi)部一般采用定峰值電流控制模式，這種模式在負(fù)載越輕的時(shí)候，開關(guān)頻率越低。因此，Buck-Boost 拓?fù)涞姆婪打?qū)動(dòng)具有更好的 EMC 性能。

如下圖所示，右邊是 MPS 最新推出的采用 Buck-Boost 型拓?fù)涞姆婪打?qū)動(dòng) IC，MPQ5850，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。

關(guān)于汽車電子產(chǎn)品中防反電路的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在你應(yīng)該了解了吧。

原文標(biāo)題：MPS 電源小課堂第三季第二話：防反電路一定要用 PMOS 嗎?(下)

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