探秘汽车电子电源入口：防反接电路设计要点

出处：网络发布于：2025-05-09 13:51:57 | 204 次阅读

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

一、设计防反接电路的原因

电源入口处的接线和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，极有可能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 节明确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。

二、防反接电路设计

基础版：
串联二极管是实现防反接的最简单电路形式。由于电源有电源路径（正极）和返回路径（负极，GND），所以二极管既可以串接在电源正极，也可以串接在电源负极，如图所示：

这种设计成本较低，但存在明显的局限性和缺点。二极管存在正向导通压降，若串联在电源路径上，负载电路入口处的电压会低于电源输出电压；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，无法满足大电流负载电路的需求，同时发热严重，存在过热风险。当使用二极管无法满足实际需求时，可考虑其他方式。
基础版 plus：MOSFET
MOSFET 具有导通压降小、导通阻抗低的优点，能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：

由于 MOSFET 自身特性，在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）。然而，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，在相同性能要求下，PMOS 会比 NMOS 更贵，特别是在大电流电路中，可能需要多个 MOSFET 并联以实现更大通流，成本差异会更明显。NMOS 防反接电路只能放在返回路径上，虽然导通压降比二极管小很多，但仍存在，导致地平面电压并非处处相等。
进阶版：NMOS + FET controller
FET controller 有多种选择，除了防反接功能外，还有其他功能。以 TI 的 LM5050 - 1 - Q1 芯片为例，其经典应用电路如下：

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。VS 引脚内部是电荷泵，当输入电压及其他条件（如 enable 等）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，增加 NMOS 栅极和源极之间的压差，当压差增大到一定程度，NMOS 打开，电源通过 NMOS 的 Rds 流向负载，而非体二极管，从而降低了电源路径上的压降。至此，一个压降小、成本低、通流能力强的基础防反接电路就完成了。

除了电荷泵驱动方式，还有升压调节器（boost regulator）方式，如 LM74722 - Q1，其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。

三、其他功能

ENABLE/OFF：这是一个基础功能，用于控制 FET controller 是否工作。
switch function：部分 FET controller 可以实现功能。例如，在 MOSFET 未打开时，防止电流流向负载。可通过放置一个与当前 NMOS 背对背的 NMOS 来实现，如下图：

红框中的 NMOS 的体二极管与右侧 NMOS 相反，可阻止电流直接从电源流向负载。
UV/OV protection：通过在内部增加比较器即可实现，如 LM74502 - Q1 就具备此功能。
reverse current block：与极性反接保护情况不同，反向电流阻断主要是在电源正负极未接反且功能正常运行时，当供电电源因某些原因（如电性能测试、ESD 测试、雷击等）瞬间跌落，而输出端由于电容存在仍有电压，可能导致电流倒灌。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分别通过 ANODE 和 CATHODE 引脚进入芯片，经过一个 - 11mV 的比较器。若检测到输入电压比输出电压低 11mV 以上，芯片会迅速关掉外部 NMOS（响应速度一般不超过 1μs），反向电流会被 NMOS 上的体二极管阻断。