汽車控制器中反極性電壓保護電路設計

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作者：劉賡

1. 摘要

在裝配或者修理的日常操作中，汽車電源線反接使得汽車控制器容易遭受反向電壓的損壞，因此相關的汽車法規，以及各整車廠都對汽車控制器的防反接能力做了要求；一般來說需要能夠忍受-14V 的反極性電壓。

同時汽車的惡劣環境會產生各種浪涌電壓，ISO7637 標準作了相關的測試說明，其中波形 1 的負極性浪涌脈衝時間相對反接測試時間更短，而最低電壓遠低於-14V，因此工程師需要通過分析計算來確定電路參數，提高電路的穩定性。

該文章首先講述反極性電壓的保護方案及其優缺點，然後以英飛凌的一款 P 通道MOSFET 為例來說明如何分析電路的抗脈衝能力。

2. 反極性電壓保護方案

常見保護方案的主要器件可以是二極體，N 通道或者 P 通道的MOSFET，下面就這三種方案進行說明。

• 二極體應用

二極體是最簡單的反極性電壓保護方案，如圖 1：

正常工作時二極體正嚮導通，反向電壓時二極體截止；盡量選擇壓降小的二極體,以減少系統供電低時對系統的影響。

由於二極體正向壓降基本不變，因此隨著正常工作電流增加，消耗在二極體上的功率也要相應增加。

• 承受電壓電流能力出色的 N 通道 MOSFET

如果需要在正常工作時更低的功率消耗，可以選用 MOSFET，如圖 2：

MOSFET 由於工藝原因都會存在體二極體，和普通二極體工作原理相同，影響各種狀態下電流的流向。圖 2 是 N 通道 MOSFET 反極性保護的示意圖，正常工作時相當於高邊開關的導通狀態，MOSFET 的 Source 端接在高邊，Drain 端接在低邊；由於是高邊應用，Gate 端需要有一個泵升壓電路來保證 V-Gate 高於 V-Source，正向電壓時處於導通狀態。關鍵在於泵升壓電路接地的二極體，當系統處於反極性電壓時，這個二極體截止，保護泵升壓電路的同時使泵升壓電路不工作，最終導致 N 通道 MOSFET 關閉，從而保護系統免受反極性電壓損壞。

這個電路的缺點是設計複雜，泵升壓電路本身有功率消耗和 EMC 等問題。優點是總體的功率消耗都要減少，減少的程度取決於 MOSFET 的內阻選取，大致相當於二極體的幾分之一；特別是在電流非常大的應用領域，不僅單個的 MOSFET 的電流能力可以很大，還可以考慮並聯 MOSFET，減少並聯內阻的同時減少功率消耗，增加電流能力。

英飛凌是汽車電子器件的領導者之一，可以提供從 30V 到 100V 不同電壓等級的 MOSFET，比如IPB 100N10S3-05耐壓 100V 的同時可以承受最大持續電流 100A；IPB180N06S4-H1可以承受最大電壓 60V，最大持續電流 180A。

因此這兩款 MOSFET 特別適合應用在需要大電流通過的系統上，比如電動助力轉向系統，持續電流 60A 時在 IPB 100N10S3-05 上消耗大約 17W 功率，同樣的電流在二極體上則要消耗功率超過 40W （P=UI）。

• 設計簡潔的 P 通道 MOSFET 電路

N 通道 MOSFET 電路的泵升電路會讓不少工程師望而卻步，造成的 EMI 甚至會讓產品測試不能通過，這時可以考慮 P 通道 MOSFET 進行電路設計，如圖 3：

正常工作時首先電流正向經過體二極體，source 端電壓接近 12V，Gate 端電壓為零，相對於 Source 端是負電壓，MOSFET 完全導通，電流由 Drain 流向 Source；鉗位二極體保護 Gate端不超過額定電壓。

當系統處於反極性電壓時，鉗位二極體正嚮導通，Gate 端和 Source 端的相對電壓只有0.7V 左右，MOSFET 關閉，從而保護系統免受反極性電壓損壞。P 通道 MOSFET 由於工藝和成本原因，可選器件的耐壓等級會低於 N 通道 MOSFET。

英飛凌可以提供 30V 和 40V 兩個等級的 P 通道 MOSFET 應用在汽車電子控制器上，比如 IPB180P04P4-03可以承受 40V 最大電壓和 180A 最大電流。

• 方案比較

上面的三種方案，小電流的時候可以使用二極體，成本低廉，電路簡單，但是在電流增加的情況下發熱會越來越嚴重；這時候可以用 MOSFET 電路來代替，使用 N 通道或者 P 通道，主要要考慮的因素是價格以及 EMC 效果，見表 1。

電源反接的時的反極性電壓一般是-14V，因此對於以上三種電路只要選型合適都可以承受。ISO 7637-2 標準的波形 1 對浪涌電壓的測試參數進行了說明，其中脈衝的最低電壓可以達到-100V，二極體和 N 通道 MOSFET 只要選擇耐壓 100V 以上的器件，都可以滿足要求，直接阻斷負電壓；P 通道 MOSFET 由於工藝和成本限制，耐壓通常要低於 100V，因此在 P 通道MOSFET 的電路方案中，反向脈衝會照成 MOSFET 的雪崩擊穿。

3.英飛凌 P 通道 MOSFET 浪涌電壓保護計算

MOSFET 型號:IPB180P04P4-03

參考標準 ISO 7637-2:2004(E)

由於 tr 相對 td 時間很短，只有微秒級，可以假定這個波形是個理想的直角三角形，橫坐標持續時間 td(2ms)，縱坐標峰值為 Us(-100V)。同時負載在標準中規定為 10Ω。

IPB180P04P4-03 的耐電壓 40V，典型雪崩電壓可以估算 1.4 x 40V = 56V，可以通過斜率的比例很方便的算出雪崩的時間：

參照 MOSFET 的手冊參數，IPB180P04P4-03 可以在 25℃的環境溫度，峰值 60A 的電流情況下承受 90mJ 的單次雪崩能量擊穿，器件不會有損壞或者失效。本次測試的峰值電流只有 4.4A，可以簡單的認為 MOSFET 可以成比例的承受更高的能量(40A/4.4A) x 90mJ = 818mJ，遠高於本次 82mJ 的雪崩能量。

IPB180P04P4-03 的穩態熱阻只有 1K/W（瞬態熱阻更低），所以單次浪涌脈衝對器件只能照成 0.11℃左右的溫升。

4. 結論

英飛凌提供了應用於汽車電子領域的各種電壓等級和電流能力的 MOSFET 晶元，適用於各種不同需求的反極性電壓保護方案，在實際應用中有諸多的成功案例可以借鑒，登陸英飛凌官方網站，工程師可以根據實際需要的各種參數進行選擇。

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