因此，设计时需要考虑这些负载处于不同工况时，处于各种潜在故障状态下，电源线所产生的各种脉冲可能带来的影响。

下图就描述了不同应用场景下，电源线上可能出现的各类脉冲。

比如，当突然关闭大功率负载时，电池电压会出现过冲；当突然启动大功率负载时，电池电压会出现跌落；当感性线束突然出现松动时，负载会看到负向电压脉冲；当汽车发电机工作时，会在电池上叠加交流纹波；甚至，当出现道路救援时，备用电池可能出现极性反接的错误操作，此时电池电压极性长时间反接。

为了覆盖这些汽车电源线上可能存在的各种脉冲干扰，行业协会和各大整车厂纷纷制定了相关的测试标准，用来模拟电源线瞬态脉冲。比如 ISO7637-2，ISO16750-2，还有奔驰和大众等车厂测试标准等。防反电路作为最前端的电路，在实现防反功能的同时，还需要满足上述各种测试标准。

了解完汽车相关测试标准后，我们来看一下防反电路的基本类型：

1.串联肖特基二极管

这种方式的优点是简单，成本低，但损耗较大。一般用于电流不超过 2-3A 的小电流应用。

2.在高边串联 PMOS

这种方式的驱动电路简单，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 沟道关闭，寄生体二极管实现防反的功能。缺点是，PMOS 成本较高。一般用于电流超过 3A 以上的大电流应用场合。

3.在低边串联 NMOS

这种方式栅极驱动电路简单，且 NMOS 成本较低。其工作原理和 PMOS 类似。但由于这种防反结构使得电源地和负载地被分割，在汽车电子产品设计中，很少用到。

下面我们来详细介绍 PMOS 的防反电路设计。

如下是最传统的采用 PMOS 做防反功能的电路单元，PMOS 的门级接电阻到地。当输入端接正向电压时，电流流过 PMOS 的体二极管到负载端，当正向电压高于 PMOS 门限阈值电压，则会导通沟道，PMOS 的 Vds 压降降低，从而实现低损耗。一般我们会在门级和源极之间接稳压管，防止输入电源波动时，栅源极 Vgs 出现过压，击穿 PMOS；

但基本 PMOS 防反电路具有如下两个缺点：

01系统待机电流较大

PMOS防反单元电路，自始至终，由稳压管和限流电阻构成的Vgs驱动和保护电路都存在暗电流，这样限流电阻R的选择将影响整体的待机功耗；

限流电阻R的取值不宜过大。一方面，普通稳压管的正常钳位电流基本为mA级，如果限流电阻过大，稳压管没办法可靠导通，其钳位的性能大打折扣，Vgs存在过压的风险；另一方面，限流电阻越大，PMOS的驱动电流越小，其开通和关断的过程就越慢，当输入存在电压波动的时候，PMOS可能长时间存在于线性区，导致PMOS出现过温的问题。

02存在反灌电流

采用基本 PMOS 做防反电路设计，在做输入电源跌落测试时，随着输入电压跌落，PMOS 沟道仍导通，此时系统电容的电压会反灌电源，导致产品的系统掉电，功能中断。在做输入叠加交流电压测试时，由于 PMOS 完全导通，同样存在电流反灌的现象，导致电解电容反复充放电，电解电容存在过热隐患。

所谓 “NMOS + 驱动 IC” 做防反设计，指的是将 NMOS 置于高边，驱动 IC 也从高边取电，内部产生一个高于 Vin 的电压，给 NMOS 提供 Vgs 驱动供电。

根据此驱动电源的产生原理，驱动 IC 可分为 Charge Pump（电荷泵）型和 Buck-Boost（升降压）型；

如下图所示，即为这两种方案的特点：

下面我们详细介绍一下这两种驱动 IC 的工作原理。

如下图所示，这是一个采用电荷泵做 NMOS 驱动的简单工作原理。

在 CLK 周期内，先令 S1/S2 导通，将内部相对于地的电压源电压给 C0 充电，然后令 S3/S4 导通，将电容 C0 上的电压给电容 C1 充电。C0 是小电容，充放电速度快，C1 是大电容，负载能力强，因此通过频繁地开关 S1/2 和 S3/4，就能不断地将 C0 上的电荷搬运到 C1 上，而 C1 的负端连接电池电压，因此我们就得到高于电池的电压，用来给 NMOS 的门极做驱动。

如下图所示，这是一个采用 Buck-Boost 拓扑的 NMOS 驱动的简单工作原理。

这种 Buck-Boost 拓扑是将功率 MOS 置于 Low Side 的 Buck-Boost 拓扑。

当 Buck-Boost 的 MOS 管 S_bst 导通时，输入电压通过电感储能，电感电压上正下负；

当 Buck-Boost 的 MOS 管 S_bst 关断时，电感通过二极管释放能量，电感电压上负下正，给电容 C1 充电；

这样我们就能在 C1 上获得高于电池的电压，用来给 NMOS 的门极做驱动了。

之前有提到，采用Buck-Boost型防反驱动IC具有更好的性能优势，这又是为何呢？

这种优势主要体现在如下两点：

优势一

Buck-Boost 型防反驱动 IC 具有更大的驱动电流能力，能更快的响应输入各种扰动。

我们用输入叠加高频交流纹波脉冲举例说明。

上图是输入叠加100kHz，峰峰值2V条件下的实测波形；紫红色是输入防反 MOSFET 的 SOURCE 极电压，浅蓝色是经过防反 MOSFET 的 DRAIN 极电压，红色是 MOSFET 驱动 Vgs 电压，绿色是负载电流。

可以看到，驱动 IC 实时监测 NMOS 的漏极和源极。输入电压和源极电压一致，系统电压和漏极电压一致。当源极电压低于漏极电压，即输入电压低于系统电压时，关闭 MOSFET 驱动，体二极管实现防反功能，防止电容电流反灌；当源极电压高于漏极电压，即输入电压高于系统电压时，导通 MOSFET 驱动，避免体二极管导通，影响效率。

如果采用电荷泵型防反驱动，由于其驱动电流能力不强，在输入电压快速波动时，容易产生门极驱动脉冲丢失或者常开的异常现象。

下图是实测采用电荷泵型防反驱动的波形，黄色是防反 MOSFET 的输入SOURCE 极电压，红色是 MOSFET 的输出 DRAIN 极电压，绿色是 MOSFET 的驱动 Vgs，蓝色是负载电流。

在门极驱动脉冲丢失的时间内，MOS 无驱动，体二极管导通，存在巨大热损耗，同时在下一次开通瞬间，存在较大的充电电流尖峰；

在门极驱动脉冲常开的时间内，MOS 常通，电解电容反复充放电，导致发热严重。

优势二

Buck-Boost 型防反驱动 IC 具有更好的 EMC 性能。

可能有工程师会质疑，采用 Buck-Boost 这种开关电源拓扑，是否会有 EMC 的问题呢？

其实恰恰相反，电荷泵虽然没有电感，但它是电容式开关电源，电荷泵由于效率低，所以需要很高的工作频率。一般而言，芯片内部集成的电容容值不大，是 pF 级，而芯片外用于给 NMOS 做驱动的电容，需要容值较大，是 uF 级。这样我们的 Charge Pump 开关频率不可避免在10M以上，而这样的高频，就有可能带来 EMI 的潜在威胁。

采用 Buck-Boost 拓扑的防反驱动，其效率远高于电荷泵拓扑。且这类驱动 IC 内部一般采用定峰值电流控制模式，这种模式在负载越轻的时候，开关频率越低。因此，Buck-Boost 拓扑的防反驱动具有更好的 EMC 性能。

如下图所示，右边是 MPS 最新推出的采用 Buck-Boost 型拓扑的防反驱动 IC，MPQ5850，其 EMC 测试结果能完美通过国标等级5的测试。

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