汽车电池前端保护的工作原理

如果在跨接启动、车辆保养或维修过程中将汽车电池端子反接，相关汽车电子模块中的组件可能会因无法处理故障情况而损坏。

既然反接是一件危险的事情，那我们该如何预防呢？本文将回顾反接解决方案，并分享一些可用于构建可靠汽车前端保护器件的设计理念。

反接保护

反接保护电路有三种基本类型，如下所述：

• 串联标准/肖特基二极管
• 高边P沟道MOSFET
• 高边N沟道MOSFET

图1：防反向二极管可保护终端设备免受反向电压和电流造成的损坏。

最简单的反极性保护方法是将一个标准二极管与电源轨串联，如图2左侧所示。这种方法效果很好，但二极管两端的正向压降会在0.7V至1.0V之间。更好的方法是用肖特基二极管替换标准二极管，如该图右侧所示。肖特基二极管的典型正向压降在0.2V至0.5V之间。

图2：在电源轨上串联一个标准二极管是实现反极性保护的最简单方法。

因此，保护​​系统免受反极性影响的最简单方法是使用标准二极管或肖特基二极管，因为只有在其端子施加正确的极性(正向偏置)时，二极管才会导通电流。

二极管技巧的替代方法是使用MOSFET。当MOSFET导通时，漏源之间的电压降(V_DS)取决于漏源导通电阻(R_DSON)和漏源电流(I_D)。与标准二极管和肖特基二极管相比，电压降通常要低得多(V_DS=R_DSON×I_D)。

因此，下一个解决方案是使用增强型P沟道MOSFET与正电源轨串联。可以选择具有低R_DSON的P沟道MOSFET，以最大限度地减少潜在的电压损失，从而减少散热。

图3：P沟道MOSFET与正电源轨串联运行以实现反极性保护的方式。

在上述电路正常工作期间，电流首先流过MOSFET体二极管，其源极电压接近电池电压。此时，栅极电压为0V(即相对于源极为负)。

在这种情况下，MOSFET可以导通，然后电流从漏极流向源极。齐纳二极管可以保护栅源电压不超过额定电压。

然而，当系统处于反极性条件下时，MOSFET体二极管将反向偏置，齐纳二极管正向导通。然后MOSFET关断，以保护系统免受反向电池电压造成的损坏。当然，如果需要，可以加入串联保险丝和双向瞬态电压抑制器来提供额外的保护。

同样，如果公共输入和输出接地轨无关紧要，那么也可以采用该电路的一个版本，即采用一个与接地(0V)轨串联的N沟道MOSFET(尽管这种方案在汽车电子中很少使用)。

简而言之，大多数基本的反极性保护电路都采用P沟道MOSFET，其中高边P沟道MOSFET的栅极接地。如果输入端连接到正向电压，则电流会流经P沟道MOSFET的体二极管，到达负载端。如果正向电压超过P沟道MOSFET的电压阈值，则沟道导通。

这会降低P沟道MOSFET的漏源电压，从而减少功率损耗。此外，MOSFET的栅极和源极之间连接了一个稳压二极管，以防止其栅源电压出现过压。

现在来看看基于P沟道MOSFET的基本反极性保护电路的实际版本。我对其进行了简单测试，发现它工作正常。

图4：基于基本P沟道MOSFET的反极性保护电路。

还可以使用放置在高边的N沟道功率MOSFET来实现反极性保护(图5)。

图5：基于N沟道MOSFET的基本反极性保护电路。

在这种情况下，当电池正确连接(源极连接到BAT+)时，栅源电压必须高于阈值电压(V_GS＞V_TH)才能使N沟道MOSFET导通。

由于源极连接到BAT+，因此需要一个专用的栅极驱动器芯片(集成电荷泵或降升压机制)来驱动N沟道MOSFET的栅极电压高于源极电压，从而使N沟道MOSFET导通。

当电池反向连接时，MOSFET的体二极管会反向偏置，驱动电路会被禁用，从而关闭N沟道MOSFET。附注：像MPS的MPQ5850这样的智能二极管控制器可以驱动外部N沟道MOSFET，以取代肖特基二极管，实现反向输入保护。

图6：二极管控制器可以替代肖特基二极管来实现反向输入保护。

另一款用于N沟道MOSFET的反极性保护控制器芯片是安森美的NCV68061，这是一款理想二极管控制器。

为了澄清一些误解，反极性保护(RPP)控制器——也称为反向连接保护(RHP)控制器——与外部N沟道MOSFET配对使用时，可提供低损耗的输入电源反接保护。但是，它不提供反向电流阻断(RCB)。因此，反极性保护控制器适用于仅需要输入极性反接保护的应用。

另一方面，理想二极管控制器与外部N沟道功率MOSFET配对使用时，可提供低损耗的输入电源反接保护以及从输出负载流回输入的反向电流保护。因此，理想二极管控制器适用于同时需要输入反极性保护和反向电流阻断的应用。

另外，对于低压应用，可以使用集成理想二极管，因为它将理想二极管的全部功能集成到单个器件中。例如，Nexperia的NID5100-Q100是一款集成理想二极管，能够替代低压系统中无法承受传统元件高压降的传统二极管。

静态和动态反极性

静态反极性是指电源以反极性连接(正极接负极，反之亦然)并持续保持该状态的情况。另一方面，动态反极性是指极性在短时间内短暂反转(例如瞬时连接错误)，然后恢复到正确极性的情况。

您或许已经了解相关背景，但ISO7637-2:2011是一项国际标准，规定了用于确保安装在配备12V或24V电气系统的乘用车和商用车上的设备能够耐受传导电瞬变的测试方法和程序。

图7：汽车行业所使用的测试脉冲简图。

ISO7637-2标准定义了几种用于测试设备的测试脉冲。这些测试脉冲具有不同的正负电压电平，用于对被测设备(DUT)施加应力，以判断其是否能够承受。

此外，在正常运行期间，汽车电池电压并非恒定不变，因为在ISO7637和ISO16750等汽车EMC测试标准规定的多项瞬态测试中，输入电压甚至可能为负值(低至-150V)。这意味着汽车电池前端保护至关重要。

总结

反极性保护对于任何电池连接系统都至关重要。本文介绍了一系列可用于为汽车电池提供实用前端保护(尤其是反极性保护)的可能解决方案。根据应用需求，选择任何一种保护技术都可能有利。

最后，永远不要低估坚固耐用的汽车机电继电器的作用。这种继电器的关键优势在于它能够处理极高的电流，且触点两端的压降几乎为零。正如下图所示，继电器是一种极其简单的有效反极性保护方法。

图8：继电器提供了一种简单的方法来实现有效的反极性保护。

T. K. Hareendran是一名技术作家、硬件beta测试员和产品评论员。

（原文刊登于EE Times姊妹网站Planet Analog，参考链接：This is how car battery's front-end protection works，由Franklin Zhao编译。）