汽车电源系统常常在极为恶劣的环境下运行，数以百计的负载连接在汽车电池上，要同时确定负载状态的汽车电池面临着极大的挑战。当负载处于不同工作条件和潜在故障状态时，设计人员需要充分考虑产生的各种脉冲可能带来的影响。

脉冲干扰

图 1 展示了不同应用场景下电源线上可能出现的各种脉冲类型。例如，当大功率负载突然关闭时，电池电压可能产生过冲；当大功率负载突然启动时，电池电压将会跌落；当感应线束突然松动时，负载上将产生负电压脉冲；发电机运行时，交流纹波会叠加在电池上；还有在使用跳线时，备用电池可能使用错误，从而导致极性反接，此时电池电压极性会出现长时间反接的情况。

为解决汽车电源线上可能存在的各种脉冲干扰，行业协会和主要汽车制造商已经制定了相关的测试标准来模拟电源线的瞬态脉冲。这些标准包括 ISO 7637 - 2 和 ISO 16750 - 2，以及梅赛德斯 - 奔驰和大众汽车的测试标准。防反保护电路作为最前端的电路，也必须满足这些行业测试标准。

防反保护电路

防反保护电路主要包括三种基本类型：串联肖特基、在高边串联 PMOS、在低边串联 NMOS。

串联肖特基二极管

这种电路通常适用于 2A 至 3A 之间的小电流应用，其优点是电路简单且成本低，但缺点是功耗较大。在小电流应用中，由于其简单的结构和较低的成本，串联肖特基二极管的防反保护电路具有一定的优势。然而，随着电流的增大，其功耗问题会变得更加突出，因此不太适合大电流应用。

在高边串联 PMOS

对于电流超过 3A 的应用，可以将 PMOS 放置在高边。这种驱动电路相对简单，但 PMOS 的成本较高。当电源正接时，PMOS 沟道导通，管压降小，损耗和温升低；当电源反接时，PMOS 沟道关断，寄生体二极管实现防反保护功能。在大电流应用中，高边串联 PMOS 的防反保护电路能够提供较好的性能，但较高的成本是其需要考虑的因素之一。

在低边串联 NMOS

这种电路需要在低边放置一个 NMOS。简化的栅极驱动电路通常会采用高性价比的 NMOS。该电路的功能类似于放置在高边的 PMOS，但是这种防反保护结构意味着电源地和负载地是分开的，这种结构在汽车电子产品设计中很少使用。在某些特定的应用场景中，低边串联 NMOS 的防反保护电路可能具有一定的优势，但由于其电源地和负载地分开的结构特点，限制了其在汽车电子产品设计中的广泛应用。

传统 PMOS 防反保护电路的缺点

大多数传统的防反保护电路均采用 PMOS，其栅极接电阻到地。如果输入端连接正向电压，则电流通过 PMOS 的体二极管流向负载端。如果正向电压超过 PMOS 的电压阈值，则通道导通，这降低了 PMOS 的漏源电压 (VDS)，从而降低了功耗。栅极与源极之间通常会连接一个电压调节器，以防止栅源电压 (VGS) 出现过压情况，同时还可以保护 PMOS 在输入功率波动时不会被击穿。但基本的 PMOS 防反保护电路存在两个缺点：系统待机电流大以及存在反灌电流。

系统待机电流较大

当 PMOS 用于防反保护电路时，VGS 和保护电路（由齐纳二极管和限流电阻组成）周围会存在漏电流。因此，限流电阻 (R) 会对整体待机功耗产生影响。限流电阻的取值不应太大，一方面，普通的正常钳位电流基本为 mA 级，如果限流电阻过大，齐纳二极管不能可靠导通，钳位性能会明显降低，从而导致 VGS 出现过压风险；另一方面，限流电阻太大意味着 PMOS 驱动电流较小，这会导致较慢的开 / 关过程。如果输入电压 (VIN) 发生波动，PMOS 可能会长时间工作在线性区域（在该区域的 MOSFET 未完全导通），由此产生的高电阻会导致器件过热。

存在反灌电流

在进行 ISO 16750 输入电压跌落测试时，PMOS 在 VIN 跌降时保持开路。在这种情况下，系统电容电压会使电源极性反转，从而导致系统电源故障并触发中断功能。而在叠加交流电输入电压测试中，由于 PMOS 完全开路，将导致电流回流，这会迫使反复充电和放电，最终导致过热。

NMOS 防反保护电路及驱动 IC

设计具有 NMOS 和驱动 IC 的防反保护电路时，NMOS 需放置在高边，驱动 IC 也从高边取电，这里将产生一个大于输入电压 (VIN) 的内部电压，给 NMOS 提供 (VGS) 驱动供电。根据驱动电源产生的原理，驱动 IC 可以采用电荷泵方案或升降压 (Buck - Boost) 方案。

电荷泵防反保护方案

电荷泵方案具有较低的总体 BOM 需求，从而可降低成本。该方案非常适合小电流应用，例如汽车 USB 供电设备 (PD) 大功率充电模块。在小电流应用中，电荷泵方案的低成本优势使其具有一定的竞争力。然而，其驱动电流能力相对较弱，在一些对驱动电流要求较高的应用中可能不太适用。

升降压防反保护方案

升降压方案提供强大的驱动能力和出色的 EMC 性能。该方案非常适合大电流和高性能环境，例如汽车域控制器和音响系统。升降压拓扑可以提供更大的驱动电流能力和更快的输入干扰响应能力。在输入叠加 100kHz，峰峰值 2V 条件下进行实测，测量结果显示，驱动 IC 实时监测了 NMOS 的漏极与源极。如果 VS 低于 VD，则 VIN 低于系统电压，MOSFET 驱动关断，体二极管提供防反保护功能防止电容电流回流；如果 VS 超过 VD，则 VIN 超过系统电压，MOSFET 驱动导通，可避免体二极管导通影响效率。

此外，在防反保护驱动 IC 中采用升降压驱动 IC 还可以提高 EMC 性能。电荷泵虽然没有电感，但它是一种容性开关电源，由于效率低需要极高的工作频率，通常情况下，集成电容小（在 pF 范围内）而外部电容大（在 μF 范围内），因此，电荷泵的开关频率 (fSW) 常超过 10MHz，这种高频率将导致 EMI 问题。而升降压拓扑通过采用固定峰值电流控制，较小负载对应较低的 fSW，可提升 EMC 性能。

MPQ5850 - AEC1 简介

MPQ5850 - AEC1 是一款智能二极管控制芯片，它可以替代肖特基二极管，驱动外部 NMOS 实现反向输入保护。该器件采用 TSOT23 - 8 封装，非常适合汽车冷启动条件。通过对电荷泵拓扑与采用升降压拓扑的 MPQ5850 - AEC1 进行 EMC 性能比较，左边的电荷泵拓扑可能会存在潜在的 EMC 问题，而右边的 MPQ5850 - AEC1 方案能完美通过国标等级 5 测试。