摘要：隨著科技的發(fā)展，車內(nèi)各個(gè)域控制器的融合度越高，系統(tǒng)就變得越復(fù)雜，需要提供給產(chǎn)品的電流越來越大，對于產(chǎn)品防反電路設(shè)計(jì)難度也越來越大。以德州儀器半導(dǎo)體的LM74700D—Q1為防反電路芯片為研究對象。該器件它與外圍N溝道MOSFET配合工作，可作為理想二極管整流器，并利用20 mV正向壓降實(shí)現(xiàn)低損耗反向保護(hù)，它能夠快速響應(yīng)反向電流阻斷，適用于在ISO7637—2脈沖測試以及電源故障和輸入微短路條件下要求保持輸出電壓的系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：防反；大電流；NMOS；低功耗

中圖分類號(hào)：U462 收稿日期：2024-08-06

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.023

1 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，車輛越來越智能，車內(nèi)域的融合越來緊密，域控制器所需要的電流越來越大，對于防反電路的要求越來越高。傳統(tǒng)防反電路存在一些不足，如二極管防反電路存在驅(qū)動(dòng)電流小、損耗大等。PMOS防反電路也存在待機(jī)電流較大、電流容易反灌、成本較貴等缺點(diǎn)［1］。因此，具有更大電流、更低靜態(tài)功耗、更低成本的防反電路的需求越來越大。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于TI LM74700D—Q1設(shè)計(jì)與外圍N溝通MOSFET組成防反電路，可以支持更大電流、更低靜態(tài)電流與成本更低等優(yōu)點(diǎn)，故在車身控制或者座艙娛樂系統(tǒng)等大電流需求的產(chǎn)品上有廣闊的市場和發(fā)展前景。

2 防反電路原理和課題背景

電源的正負(fù)極一旦接反，就會(huì)導(dǎo)致很多電子元器件燒毀。為了避免電池反接對設(shè)備造成的危害，車載產(chǎn)品都需要引入電池防反接保護(hù)電路。電池防反接保護(hù)電路的原理就是在電路中增加一個(gè)反向保護(hù)電路［2］。

主要的保護(hù)原理有兩種，分別是串聯(lián)和并聯(lián)。串聯(lián)保護(hù)是通過在電路中增加一個(gè)開關(guān)管，當(dāng)電池的正負(fù)反向連接時(shí)，開關(guān)管能夠抑止其導(dǎo)通，進(jìn)而保護(hù)負(fù)載不受到電池的反向電壓的傷害。并聯(lián)保護(hù)則是通過增加一個(gè)反向二極管來實(shí)現(xiàn)dyYmX4CHfNujtlParxxem9eYeGWTxQFvGmuYELBpVfY=［3］。當(dāng)電池反接時(shí)，二極管能夠自動(dòng)導(dǎo)通，將電池反向的電流拉低，使得電路中的電流繞過電路內(nèi)部流過，從而保護(hù)電池和相關(guān)電子設(shè)備，并聯(lián)保護(hù)一般要結(jié)合保險(xiǎn)絲一起使用，在使用時(shí)要注意保險(xiǎn)絲的熔斷電流要大于后級(jí)負(fù)載正常的工作電流，這樣電路正常使用時(shí)不能熔斷。

當(dāng)前，域控制器所需電流越來越大，如車身控制或者座艙娛樂系統(tǒng)所需要求最小30 A以上。30 A以上大電流使用傳統(tǒng)二極管或者PMOS，散熱功率往往達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)靜態(tài)電流較高，防車載脈沖能力較弱，車載交流疊加波紋聲音異響，成本高等，而基于LM74700—Q1的大電流防反方案能解決這些難題。

3 大電流防反電路設(shè)計(jì)

3.1 LM74700-Q1的防反電路設(shè)計(jì)

LM74700—Q1反極性保護(hù)應(yīng)用要與N溝道MOSFET控制器一起使用。如圖1所示，其中D201的TVS 用于防止車載的脈沖Pulse 5b保護(hù)，而C212～C215、C217～C220、C204～C209電容用于電池線輸入高頻濾波用于保護(hù)。C223、C226、C227、C224輸出電容是用于避免后端的電流波動(dòng)干擾。C202～C203電容為電荷泵電容，用于將外部N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)至15 V的最大柵極驅(qū)動(dòng)電壓。

MOSFET兩端的電壓降在LM74700—Q1的陽極和陰極引腳之間檢測［4］。當(dāng)兩端電壓檢測到-11～50 mV，LM74700Q1工作在正向調(diào)節(jié)模式，通過調(diào)整GATE到ANODE電壓，可以將ANODE到CATHODE電壓調(diào)節(jié)到20 mV。這個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)方案可以在非常小的負(fù)載下調(diào)整關(guān)閉外掛的MOSFET，并確保零DC反轉(zhuǎn)電流。

當(dāng)兩端電壓檢測到大于50 mV的典型情況時(shí)，LM74700Q1工作在全導(dǎo)通模式下，這時(shí)GATE與ANODE壓降最大，以保證外部MOSFET的RDS（ON）完全導(dǎo)通過。當(dāng)ANODE到CATHODE電壓小于-11 mV時(shí)，進(jìn)入反向電流保護(hù)進(jìn)入模式，GATE內(nèi)部連接到ANODE陽極以禁用外部MOSFET，這樣MOSFET的體內(nèi)二極管阻止任何反向電流從輸出口流向輸入口。

當(dāng)控制端BAT_EN輸出為低電平，LM74700Q1進(jìn)入關(guān)斷模式，電路通過外部MOSFET的正向電流不中斷，而是通過MOSFET的體內(nèi)的二極管到產(chǎn)品后端，這時(shí)LM74700Q1靜態(tài)電流最低，最小可以達(dá)到1 μA，這樣可以保證產(chǎn)品更低的功耗。而傳統(tǒng)的PMOS管，G極控制端需要一直控制打開，故靜態(tài)電流較高。

3.2 EMC設(shè)計(jì)

采用傳統(tǒng)的二極管或者PMOS管做大電流防反設(shè)計(jì)，其反向電壓達(dá)不到100 V，防ISO7637—2的脈沖能力較弱。而基于LM74700—Q1的應(yīng)用方案在設(shè)計(jì)IC前端增加一個(gè)雙向的TVS管，本設(shè)計(jì)方案TVS為SMBJ36CA，在脈沖1實(shí)驗(yàn)中，可以嵌位-44 V以內(nèi)，這樣就可以滿足IC最大電壓為-65～65 V工作范圍內(nèi)。同時(shí)為了避免脈沖5 b對于整機(jī)后端電源瞬態(tài)的影響，在設(shè)計(jì)中使用輸出電容C223為4.7 uF，C226為1 uF，C227為100 NF，C224為47 uF，可以避免ANODE到CATHODE壓降瞬態(tài)變化，從而快速調(diào)整MOSFET的GS，防止MOSFET 瞬態(tài)而損壞。最后本設(shè)計(jì)方案中，ANODE到CATHODE 采樣電壓范圍大約為-11～50 mV，對于如此高精度的電壓檢測，Layout中建議LM74700Q1的ANODE、GATE和CATHODE三個(gè)PIN 必須靠近MOSFET的源極、控制端、柵極端。這樣可以避免由于線寬太長導(dǎo)致MOSFET關(guān)斷延遲。

3.3 過溫保護(hù)電路

使用LM74700-Q1作為防反電路設(shè)計(jì)時(shí)，如果外掛的NMOS管電流一直持續(xù)增大，NMOS內(nèi)部溫度會(huì)不斷增加，從而影響周圍器件的溫度。為了保證電路穩(wěn)定可靠，需要在NMOS比較近的位置放置一個(gè)NTC溫度傳感器［5］，如圖2中的NMOSNTC溫度檢測所示。R0653位置的NTC傳感器要靠近NMOS放置，當(dāng)檢測到NMOS溫度過高時(shí)，MCU對整體系統(tǒng)進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，如高溫條件下不允許座椅加熱、后除霜加熱、車內(nèi)通風(fēng)加熱或者其他功能打開，從而保證產(chǎn)品更加穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計(jì)

為了支持更大的電流輸出，外掛NMOS 選用安世供應(yīng)商提供的BUK7J1R4-40H。這款NMOS支持175 ℃結(jié)溫工作環(huán)境，有較低的Rdson導(dǎo)通電阻和較高大電流輸出能力［4］。其Rdson導(dǎo)通的最大內(nèi)阻為1.4 mΩ，當(dāng)輸出電流I=50 A，則NMOS的功耗P=3.5 W。如此大的功耗，如果單靠散熱銅皮散熱，溫升很容易瞬態(tài)增加，從而引起IC因?yàn)槟芰慷鴵p壞，本設(shè)計(jì)使用鑄鋁后蓋，如圖3中的NMOS散熱鑄鋁后蓋。這樣，從設(shè)計(jì)角度保證熱阻系數(shù)足夠小，大約為Rja=6 ℃/W，在電流50 A條件下，溫升理論計(jì)算ΔT=PRja=21 ℃。如果負(fù)載電流需求更高，如負(fù)載電流極限條件下100 A，在高溫85°條件下，NMOS結(jié)點(diǎn)溫度理論計(jì)算Tjunction=Ta+PRja=169 ℃，也可以滿足其結(jié)溫不要超過175 ℃的要求。

5 軟件方案設(shè)計(jì)

基于TI LM74700—Q1工作流程如圖4所示。首次MCU程序進(jìn)入初始化，當(dāng)整車收到點(diǎn)火報(bào)文后，延遲1 s，等電源穩(wěn)定后，MCU會(huì)置BAT_EN為高電平，TI LM74700—Q1處于工作模式，它會(huì)根據(jù)后端負(fù)載電流的情況自動(dòng)調(diào)整工作模式，當(dāng)外置NMOS位置溫度較高，目前系統(tǒng)設(shè)置高于120 ℃，并且持續(xù)時(shí)間10 s以上，MCU通知其他模塊的負(fù)載電流降額輸出，如座椅加熱或者后除霜加熱，或者車內(nèi)通風(fēng)加熱等功能限制輸出，然后再延遲15 min，再重新檢測，如果溫度會(huì)降下來，會(huì)退出當(dāng)前狀態(tài)，重新檢測當(dāng)前點(diǎn)火報(bào)文是否還存在，如果不存在，MCU會(huì)置BAT_EN為低電平，這樣TI LM74700—Q1處于低功耗模式，流程結(jié)束。

6 防反電路的車載產(chǎn)品應(yīng)用

6.1 應(yīng)用于車身域控制器

如圖5所示，車身域控制器負(fù)載一般分為U2—車燈控制，其電流大約10A；U3—車窗控制，其電流大約為20 A；U4—空調(diào)控制，其電流大約為3A；U5—座椅移動(dòng)控制，其電流大約15 A；U6—座椅加熱控制，其電流大約15 A；U7車門控制，其電流大約20 A；U8系統(tǒng)外設(shè)IC供電，其電流大約5 A。系統(tǒng)共計(jì)大約為88 A，如些大的電流，如果使用PMOS做防反電路時(shí)，要求MOSFET內(nèi)部導(dǎo)通電阻一定非常小，成本非常高，因此有必要研發(fā)和應(yīng)用一種基于TI LM74700Q1防反電路。在使用這類電路時(shí)，特別在高溫條件下，可以考慮某些模塊降額工作或者不工作，這樣可以降低防反電路外圍NMOS管功耗。圖5所示的防反電路，在高溫條件下可以考慮座椅加熱功能不開啟，這樣系統(tǒng)變得穩(wěn)定。

6.2 應(yīng)用于智能座艙娛樂系統(tǒng)

如圖6所示，車載座艙娛樂系統(tǒng)負(fù)載一般分為M2—前揚(yáng)聲器功放，其電流大約10 A；M3—后揚(yáng)聲器功放，其電流大約為10 A；M4-SOC PMIC供電系統(tǒng)，其電流大約為6 A；M5—MCU PMIC供電系統(tǒng)，其電流大約3 A；M6—SOC外置IC供電系統(tǒng)，其電流大約5 A；M7—MCU外置IC供電系統(tǒng)，其電流大約3 A；U8系統(tǒng)外設(shè)供電，其電流大約10 A。系統(tǒng)共計(jì)大約為47 A。這類電流一般選PMOS管的成本也是比較高，故基于TI LM74700Q1防反電路設(shè)計(jì)也適用于此。建議電流大于30 A以上時(shí)選用這類防反電路設(shè)計(jì)，這樣性價(jià)比會(huì)更高。如圖6所示，高溫條件下也可以考慮前后揚(yáng)聲器功放功率降低音量輸出，這樣會(huì)使系統(tǒng)變得更穩(wěn)定。

7 實(shí)驗(yàn)測試及分析

7.1 溫度測試

為了驗(yàn)證電路的功能及性能，根據(jù)圖4的流程圖搭驗(yàn)證不同的電流，分別進(jìn)行負(fù)載電流為1 A、10 A、20 A、30 A、40 A、50 A、60 A、70 A、80 A，在溫度為25 ℃、60 ℃、85 ℃時(shí)的NMOS表面測試，測試2 h，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表1所示。

從表1可知，在85 ℃溫度條件下，會(huì)觸發(fā)軟件保護(hù)策略，這里PCB檢測到NTC的溫度120°，如果這樣MCU降額不允許某個(gè)大功率電流執(zhí)行相關(guān)負(fù)載，如車身域控制器產(chǎn)品的座椅加熱功能執(zhí)行在高溫條件不執(zhí)行，從而降低負(fù)載電流，保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

7.2 交流疊加紋波測試

采用傳統(tǒng)的PMOS做防反電路設(shè)計(jì)，在做交流疊加波紋實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于PMOS是通過MOSFET DS兩端壓降全導(dǎo)通的，紋波電壓大，聲音異響；而經(jīng)過TI LM74700Q1防反電路之后，紋波電壓小，聲音異響輕微。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

8 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于LM74700D—Q1大電流防反功能在車載產(chǎn)品的方案。該方案防反電流較高，靜態(tài)電流較低，成本較低，散熱功率較好，同時(shí)也能防止電源疊加交流異響，防脈沖能力強(qiáng)等，適用于車身控制器或者智能座艙娛樂系統(tǒng)等需要大電流的車載產(chǎn)品，故它具有廣闊的市場以及發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]清華大學(xué)電子教研組編.模擬電子技術(shù)[M].5版.北京：高等教育出版社，2015.

[2]TI LM74700—Q1規(guī)格書[Z].2021.

[3]安世半導(dǎo)體BUK7J1R4—40H規(guī)格書[Z].2023.

[4]ISO 7637—2011，道路車輛來自傳導(dǎo)和耦合的電氣干擾的第2部分[S].

[5]GB/T 28046.2—2011 疊加交流電壓[S].