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

MPS芯源系統(tǒng) ? 來源:MPS芯源系統(tǒng) ? 作者:MPS芯源系統(tǒng) ? 2022-05-26 15:05 ? 次閱讀

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):

a841e298-dcac-11ec-ba43-dac502259ad0.png

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。

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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。

a8d48670-dcac-11ec-ba43-dac502259ad0.png

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明。

a908e064-dcac-11ec-ba43-dac502259ad0.png

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常現(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。

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在門極驅(qū)動(dòng)脈沖丟失的時(shí)間內(nèi),MOS 無驅(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)洌欠駮?huì)有 EMC 的問題呢?

其實(shí)恰恰相反,電荷泵雖然沒有電感,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 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)洹G疫@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。

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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)果能完美通過國標(biāo)等級(jí)5的測(cè)試。

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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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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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