引言：許多前端電源系統設計都需要保護，以免因輸入電源反向連接、電池反向連接或電源線布線錯誤而造成損壞。肖特基二極管是防止反極性條件的傳統選擇，但正向導通造成的功率損失需要詳細的熱計算評估，導致系統成本和空間增加。此外，對更高功率密度需求的增加，需要更好、更有效的反極性保護方法。

1.反向極性保護概述

大多數前端電源系統需要保護，以防在浪涌事件或感應負載與電池斷開連接期間出現動態反極性情況，反向連接的電源可能會損壞連接的子系統、電路和組件。許多汽車電池供電的子系統需要在維修或從另一輛車跨接啟動期間避免電池反向連接，以及在車輛使用壽命期間可能發生的瞬態反向輸入。

2.反向輸入極性保護

圖8-1顯示了反向連接的電池輸入路徑，當這種情況發生時，巨大的電流流經微控制器（MCU）、DC/DC轉換器或其它電路的靜電放電（ESD）二極管，對連接電池的子系統造成嚴重損壞。反向連接的電池還可能會損壞極化器件，如電解電容器，如圖8-2所示。

圖8-1：反向接電池，短路電流流經MCU等等器件

圖8-2：反向接電池，電流流經極化元件

3.使用肖特基二極管的反向極性保護

防止輸入極性反向的常用方法采用肖特基二極管或具有分立元件的P-MOSFET，反向電池保護的最簡單方法是在系統電源路徑的輸入端添加一個串聯二極管。圖8-3顯示了使用肖特基二極管的反向電池保護方案，負載電流沿二極管的正向流動。如果電池安裝的極性錯誤，二極管會反向偏置并阻斷反向電流，從而保護負載免受負電壓的影響。

圖8-3：使用肖特基二極管的反向輸入保護

而放置在輸出端的大容量電容可防止輸出過快跌落，并可在輸入電源恢復之前短時間為負載供電。肖特基二極管防反缺點：

1：功率耗散，正向壓降導致的正向導通損耗會在較高負載電流下導致顯著的效率損失。

2：熱管理，管理功耗需要散熱器，增加了總成本和空間。

3：更高的正向電壓降，在具有較低電壓總線（3.3V）的系統中，二極管中0.4V的典型電壓降將導致下游負載運行的電壓凈空更低。

4：反向漏電流，高壓肖特基二極管的反向漏電流隨著結溫的升高而急劇增加，導致反向導通過程中功耗更高。

4.使用離散模塊集集的反向極性保護

如圖8-4所示，通過用P-MOSFET代替肖特基二極管，其體二極管朝向與與肖特基二極管相同，可以減少二極管的正向壓降。在電池正常工作期間，MOSFET的體二極管正向偏置并導通很短的時間，直到當柵極電壓拉到源極以下時MOSFET主溝道導通。當電池極性反轉時，柵極-源極電壓為正，此時MOSFET截止，保護下游電路免受負電壓的影響。

圖8-4：使用P-MOSFET進行反向輸入保護

反向電池保護的另一種方法是在低側使用N-MOSFET，例如在接地回路上，其工作原理類似于圖8-4中的P-MOSFET。在正常工作期間，MOSFET的體二極管正向偏置并導通，直到MOSFET主溝道導通。當電池輸入通過限流電阻對柵極充電時，MOSFET快速導通，當柵極-源極電壓開始低于MOSFET閾值電壓（Vth）并偏置為負時，在靜態反向電池或動態反向電池連接條件下，在電池輸入開始偏置為負之后，MOSFET關斷。

圖8-5：使用N-MOSFET的反向輸入保護

5.反向極性保護vs反向電流阻斷

反向極性保護，也稱為反向連接保護，可防止在反向連接電池或感應負載與電池斷開連接期間，輸入端的負電壓對負載造成損壞，反向極性保護不一定會阻止反向電流從負載或下游DC/DC轉換器流入電池。

在許多系統中，在電源線短暫中斷或電池輸入短路期間，大的Bulk電容提供足夠的備用電力，以便子系統可以不間斷地運行或在關閉前執行維護任務，如內存轉儲。反向電流阻斷防止反向電流從負載流回電池，并且允許Bulk電容為子系統在各種動態反向電池條件或短暫中斷期間提供額外的備用時間。

圖8-4或圖8-5所示的反向輸入保護不會阻止反向電流（這個反向電流不是電池反接產生的反向電流，而是電池正常接入，MOS開啟時其余原因涌入的反向電流）流回電池，因為MOSFET是導通的。在圖8-6中，輸入功率從正值變為負值，P-MOSFET在短時間內保持導通，因為其VGS仍需要時間從負值轉變為正值，這會導致輸出端出現暫時的負電壓尖峰。相反，肖特基二極管不斷地阻擋反向電流流入電源，并固有地提供反向極性保護和反向電流阻擋。

圖8-6：肖特基二極管vsP-MOSFET

6.使用分立MOSFET的缺點

1：缺乏反向電流阻斷，MOSFET不適合具有大Bulk電容的應用，使用外部比較器可以阻斷反向電流，但會增加成本和空間。

2：低輸入電壓下的功耗，P-MOSFET的漏極-源極導通電阻（RDSon）隨著輸入電壓的降低而急劇增加，因為最大柵極-源極電壓（VGS）受到輸入電壓范圍的限制。RDSon增加導致的功耗降低了輸入電壓范圍寬的應用程序的效率，例如12V的汽車電池電壓可以從冷起動條件下的3.5V變化到浪涌起動情況下的28V。

3：P-MOSFET的尺寸和成本，對于更高功率負載，P-MOSFET的尺寸和成本顯著增加。

4：低側N-MOSFET，在接通和斷開或負載電流瞬變期間，幾乎所有系統都不能容忍系統接地電壓的跳躍。

7.使用集成器件進行反向極性保護

理想的二極管控制器和eFuse器件具有集成的反向極性保護、反向電流阻斷能力和低正向導通損耗，這使它們能夠提供比肖特基二極管或分立MOSFET解決方案更有效的反向極性保護。

理想二極管控制器

理想二極管控制器驅動外部N-MOSFET作為理想的二極管工作，具有非常低的正向電壓降和沒有反向電流，圖8-7顯示了使用理想二極管控制器的反極性保護。

當MOSFET關斷時，其體二極管會阻擋反向電流，當MOSFET在正向導通期間導通時，正向電壓降和功耗會顯著降低。理想二極管控制器可以感應流經MOSFET的反向電流，并很快將其關閉，從而使體二極管阻斷反向電流。理想二極管控制器提供低調節正向電壓、真正的反向電流阻斷、快速反向電流響應以及非常低的關斷電流和工作靜態電流。

這些特性使理想二極管控制器能夠在反極性保護應用中模擬理想的二極管，圖8-7顯示了理想二極管控制器對反向連接輸入電源的響應。當輸入電源線以相反極性連接時，控制器通過關斷MOSFET完全阻斷反向電流，輸出不降為負，而是保持在0V。負載與反向輸入電源連接隔離，并受到保護，免受反向電流造成的損壞。

圖8-8：理想二極管控制器對反向輸入極性的響應

動態反向極性響應

通過汽車電池供電的汽車子系統在其電源線上會受到各種電氣瞬態的影響，而其功能不會中斷。這樣的瞬態條件是國際標準化組織ISO-7637-2脈沖1中規定的動態反向極性，其中負將低至–150V的瞬態電壓施加到具有10Ω阻抗的12V電池供電線上，持續2ms。

圖8-9顯示了控制器對其輸入端施加的動態反向極性的響應，在施加測試脈沖之前，MOSFET導通并允許負載電流通過。當在電池輸入端施加ISO-7637-2測試脈沖1時，負載電流開始快速反向，并試圖將輸出電壓拉至負值。控制器檢測反向電流，并在0.75μs內關閉MOSFET，以阻斷反向電流并防止輸出變為負，它還可以防止大容量電容放電。

圖8-9：理想二極管控制器對ISO-7637-2脈沖1的響應

使用eFuse進行反向極性保護

eFuse設備具有完全集成的反向輸入電源保護功能，無需額外組件，這些設備可以承受-60V的反向電壓而不會損壞。圖8-10將eFuse的反向輸入極性保護功能與外部肖特基二極管進行了比較，集成MOSFET取代了外部阻斷二極管，提供了完全集成的反向電流阻斷和反向極性解決方案。

圖8-10：eFuse的集成反向極性保護

圖8-11顯示了eFuse對–57V反向輸入電源的響應，eFuse通過在反向輸入電源的情況下關閉MOSFET來完全阻斷反向電流，并防止損壞下游電路和組件。

圖8-11：eFuse對反向輸入電源的響應

動態反向極性響應

通過外部電源供電的工業子系統在其電源線上會受到各種電氣瞬態的影響，而其功能不會中斷，在輸入端施加由國際電工委員會IEC-61000-4-5規定的正浪涌和負浪涌，其中施加低至–500V的負瞬態電壓20us。圖8-12顯示了電子保險絲對輸入端–500V負浪涌的響應，輸出保護持續生效，并且在浪涌事件結束后可以快速恢復輸出。

圖8-12：eFuse對輸入時-500V浪涌的響應

使用理想二極管控制器和eFuse設備進行反向極性保護的優點包括：

1：提高了效率，較低的正向導通損耗可以提高效率。

2：集成反向極性和反向電流阻斷功能。

3：降低了系統成本和空間，熱管理比肖特基二極管更簡單。

結論：使用基于N-MOSFET的理想二極管控制器和完全集成的eFuse解決方案，可提供強大的反向極性和反向電流阻斷，與分立二極管和FET實現相比，功耗低、熱性能優，節省空間。