汽车电子硬件电源入口：防反接电路的设计与应用

出处：网络整理发布于：2025-05-15 14:29:00 | 155 次阅读

在汽车电子硬件电路设计中，入口处的防反接电路设计至关重要。接下来，我们将详细探讨为何要设计防反接电路以及具体的设计方式。

设计防反接电路的原因

电源入口处的接线及制作通常由人工操作，这就存在正负极接反的可能性。一旦正负极接反，很可能会损坏电源和负载电路。此外，汽车电子产品电性能测试标准 ISO16750 - 2 的 4.7 节包含了电压极性反接测试，汽车电子产品必须通过该项测试，这也使得防反接电路的设计成为必要。

防反接电路设计

基础版：
串联二极管是实现防反接最简单的电路形式。由于电源存在电源路径（即正极）和返回路径（即负极，GND），所以用二极管实现的防反接电路既可以串接在电源正极，也可以串接在电源负极，如下图所示：

这两种方式成本较低，但存在明显的局限性和缺点。二极管有正向导通压降，若串联在电源路径上，负载电路入口处的电压会比电源输出电压低；若串联在返回路径上，负载电路的 GND 与电源的 GND 会存在压差。而且，二极管的通流能力有限，无法应对较大电流的负载电路，同时发热严重，存在过热风险。若使用二极管无法满足实际需求，则可考虑后面的两种设计方式。
基础版 plus：MOSFET
MOSFET 具有导通压降小、导通阻抗低的优点，能够解决二极管防反电路的部分缺点。和二极管一样，MOSFET 也有电源路径和返回路径两种设计方式，如下图所示：

由于 MOSFET 自身特性，若仅使用单个 FET 进行电路设计，电源路径上只能使用 PMOS，返回路径只能使用 NMOS。与二极管相比，它们具有更小的导通压降、更低的温升和更大的通流能力（大部分情况）。不过，PMOS 和 NMOS 也各自存在缺点。同样尺寸的 PMOS 与 NMOS 相比，PMOS 的 Rdson 更大，在同样性能要求下，PMOS 会比 NMOS 更贵，尤其是在大电流电路中，常常需要多个 MOSFET 并联以实现更大的通流，成本差异会更明显。而 NMOS 防反接电路只能放在返回路径上，和二极管放在返回路径上一样，仍存在导通压降（虽然小了很多），导致地平面不是处处电压相等。那么，有没有一种方式既能使用成本较低的 NMOS，又能避免地平面电压不一致的问题呢？答案是结合起来，将 NMOS 放到电源路径上（高边），然后用更高的电压驱动 NMOS 打开。
进阶版：NMOS + FET controller
FET controller 有多种选择，并且除了防反接功能外，还有其他功能。以 TI 的 LM5050 - 1 - Q1 芯片为例，它的经典应用电路如下：

其内部结构如下：

电源上电时，电压通过 NMOS 的体二极管流向芯片的 OUT 及 VS 引脚（因此选择 MOSFET 时，通流能力不仅要看 ID，还要看 Is，即连续源极电流）。VS 引脚内部是电荷泵，当输入电压及其他条件（如使能等）均满足时，芯片会通过电荷泵给其 GATE 引脚（即外部 NMOS 的栅极）充电，这会增加芯片 IN 引脚和 GATE 引脚之间的压差，也就是 NMOS 栅极和源极之间的压差。当压差增大到一定程度后，NMOS 就会被打开，电源将通过 NMOS 的 Rds 流向负载，而不再经过 NMOS 的体二极管，从而降低了电源路径上的压降。至此，一个较为合格的基础防反接电路（压降小、成本低、通流能力强）就完成了。这里以 LM5050 - 1 - Q1 为例，它驱动栅极的方式是电荷泵，主要目的是将 NMOS 的栅极电压抬高到比源极更高。除了电荷泵，还有一种抬高电压的方式是升压调节器。LM74722 - Q1 就是采用这种方式，它的经典应用电路及框图如下：

电荷泵和升压调节器这两种驱动方式相比，升压调节器成本更高，但具有更强的驱动能力和更好的电磁兼容性（EMC）性能。

其他功能

ENABLE/OFF
这是一个比较基础的功能，用于控制 FET controller 是否工作。
功能
例如上面提到的 LM5050 - 1 - Q1，MOSFET 打开只是降低电源路径的压降、减少损耗，但即使 MOSFET 关掉，供电电源的电流仍会通过体二极管流向负载。不过，有些 FET controller 可以顺带实现开关功能，即 MOSFET 未打开时，不会有电流流向负载。实现这个功能的方法是放置一个与当前 NMOS 背对背的 NMOS，如下图所示：

红框中的 NMOS 的体二极管与它右侧的 NMOS 相反，这样就能阻止电流直接从电源流向负载。
欠压 / 过压保护（UV/OV protection）
这个功能比较容易实现，在内部增加比较器即可，如上图的 LM74502 - Q1 就具备此功能。
反向电流阻断（reverse current block）
反向电流阻断与反向极性保护情况不同，主要是触发条件不同。反向极性保护是由于电源正负极接反，导致电流可能反向流动而进行保护；而反向电流阻断是在电源正负极没有接反且功能正常运行时，Cout 有了稳定的电压（例如 14V），但供电电源因某些原因（如进行电性能测试、ESD 测试、雷击等，具体见汽车电子产品硬件电路设计 —— 电源入口处 TVS 选择）瞬间跌落，此时输入电压跌至＜14V，而 VOUT 部分由于有 Cout 的存在，从原本的 14V 开始放电，导致 VOUT＞VBATT，如下图所示：

此时两个 NMOS 还处于打开状态，就会有电流从 VOUT 流向 VBAT，从而发生电流倒灌。这种电流倒灌可能会对供电电源产生危害，或者损坏 NMOS（具体见相关链接）。目前常见的处理方式是使用比较器，如 LM74700，其内部结构如下：
输入电压和输出电压会分别通过 ANODE 和 CATHODE 引脚进入芯片，进入一个 - 11mV 的比较器。如果检测到输入电压比输出电压低 11mV 以上，芯片会立即关掉外部 NMOS（响应速度一般不超过 1μs），这样反向电流就会被 NMOS 上的体二极管阻断。