采用驅動IC和NMOS的防反電路設計

SCD----PMOS防反電路設計

引言：無論是常規的低側NMOS防反接電路還是高側的PMOS防反接電路均有其局限性。本節簡述采用驅動IC加NMOS的方案做防反電路的設計及其優點。

1高邊NMOS防反

PMOS的高邊防反接使用自驅效應，但其存在待機電流偏大和電流反灌隱患，并且PMOS價格偏高，幾乎沒有使用驅動IC+PMOS高邊防反這種設計，所以為了均衡價格因素和Rdson，消除待機電流偏大和電流反灌隱患（若單純使用高邊NMOS，也會有待機電流和電流反灌問題），使用驅動IC+NMOS這種高邊防反接設計。但這里并不是否定低邊NMOS防反和高邊PMOS防反，實際上低邊NMOS防反和高邊PMOS防反使用的更多，驅動IC+NMOS這種方式一方面是為了應對測試機構的測試用例，一方面是應對可預見的實際問題。通常使用高邊PMOS防反接并沒有什么問題。

使用高邊NMOS防反接，通常沒有足夠高的電壓來驅動柵極，此時可以使用驅動IC來從高邊取電，輸出比S極更高的電壓來驅動NMOS導通，驅動IC有兩種：電荷泵型和Buck-Boost型，見圖11-1。帶驅動IC這種形式，雖然這增加了電路的復雜性，但N溝道MOSFET的導通電阻較低。

在大部分時間都處于正常連接供電場景中，由于電荷泵型和Buck-Boost型將額外消耗電流（需要不斷地工作產生驅動電壓維持NMOS的開啟），單純的高邊PMOS防反接效率反而更好。

圖11-1：高邊NMOS防反驅動--->NMOS+驅動IC

2.電荷泵驅動NMOS

如圖11-2所示，這是一個采用電荷泵做NMOS驅動的簡圖：

圖11-2：電荷泵驅動NMOS高邊開關

Ctrl控制電荷泵工作產生高壓驅動NMOS導通工作。

如圖11-3是電荷泵驅動內部圖，Ci是小電容，充放電速度快，Co是大電容，負載能力強。通過頻繁的開關，S1、S2和S3、S4就能不斷地將Ci上的電荷搬運到Co上，而Co是相對于輸入電壓，因此我們就能夠得到比輸入電壓更高的驅動電壓。當需要驅動NMOS導通時，使能開關S0。當不需要驅動NMOS導通時，失能S0。

圖11-3：電荷泵驅動NMOS高邊開關簡圖

采用電荷泵型的驅動方案，整體物料少，成本較低，適用于電流不大的場景。

3.Buck-Boost型驅動NMOS

如圖11-4所示，是一個基于Buck-Boost拓撲的NMOS驅動拓撲。當Buck-Boost的S1導通時，輸入電壓通過電感儲能，電感電壓上正下負。當Buck-Boost的S1關斷時，電感產生反向電動勢，下正上負，通過二極管給電容C1充電，這樣C1的電壓就會高于輸入電壓，也即VGS大于開啟閾值。

圖11-4：電感通過二極管釋放能量，電感電壓上負下正給電容充電

采用Buck-Boost型的防反方案，IC的驅動能力強，EMC性能好，適用于大電流，追求高性能的場合，比如汽車各類域控制器、汽車音響系統，汽車USB PD充電器。

4.兩種驅動方式的比較

當需要驅動NMOS導通時，使能S0就能驅動NMOS可靠導通。Buck-Boost型有更大的驅動電流能力。Buck-Boost型防反驅動能更快地響應輸入電壓的各種波動，其中最典型的當屬輸入疊加高頻交流紋波。當輸入疊加交流紋波時，Buck-Boost型防反驅動能快速響應（帶反饋），圖11-5是輸入疊加100KHZ峰值兩幅條件下的實測波形：

圖11-5：Buck-Boost型防反驅動響應波形

紫色是輸入防反NMOS的輸入電壓，淺藍色防反NMOS的D級輸出電壓，雖然輸入電壓波動很大，但是經過NMOS后反而變得平順了。紅色是MOSFET驅動VGS電壓，綠色是負載電流?？梢钥吹?，當輸入電壓處于波動過程中，當 VS 低于VD時，關閉NMOS驅動，防止電容電流反灌。當VS高于VD時，開啟NMOS驅動，及時驅動主溝道導通，避免只有體二極管導通。

圖11-6：電荷泵型防反驅動響應波形

電荷泵型防反驅動由于驅動電流能力不強，所以需要更頻繁的搬移電荷。當輸入疊加高頻交流紋波時，有可能會出現如圖11-7所示G極驅動脈沖丟失或者G極驅動脈沖常開的現象。圖11-6是實測采用電荷泵型防反驅動的波形。黃色是防反NMOS輸入電壓，紅色是NMOS的輸出D極電壓，綠色是NMOSFET的驅動VGS電壓，藍色是負載電流。在門級驅動脈沖丟失的時間內， NMOS無驅動，體二極管導通存在巨大熱損耗，同時在下一次開通瞬間存在較大的充電電流尖峰。在門級驅動脈沖常開的時間內，相當于NMOS常通，電解電容反復充放電，導致發熱嚴重。

圖11-7：電荷泵型防反驅動動態影響

其次是EMC問題，采用電荷泵型的防反驅動，雖然沒有電感，但它屬于電容式開關電源，其效率低，工作頻率高。因為芯片內部集成的電容一般容值不大，是pF級別，芯片外圍給MOS做驅動的電容一般容值較大，是uF級別。如需要在1ms內將NMOS的驅動電壓升起來，則必然需要反復將pF級別的電容電荷搬運到uF級別的電容上，其開關頻率不可避免在10MHZ以上，這就有可能帶來潛在的EMC風險，如圖11-8所示：

圖11-8：電荷泵型驅動帶來的EMC隱患實測

采用Buck-Boost的防反驅動，其效率遠高于電荷泵性。芯片內部一般采用定峰值電流模式，這種模式負載越輕，開關頻率越低。而MOSFET是電壓型器件，其電流消耗很小，因此開關頻率極低，幾乎沒有EMC的問題。

圖11-9：ISO7637-Pulse1測試波形

圖11-10：ISO16750-4.6測試波形

圖11-11：ISO7637-Pulse5b測試波形

圖11-12：ISO16750-4.4測試波形

如圖11-9至圖11-12所示的測試機構電源測試波形，采用Buck-Boost型的驅動IC，其EMC測試結果能完美通過國標等級5的測試，配合合適的外圍參數設計，能夠輕松應對各種電源線抗老實驗，是汽車電子產品可靠的前端防反設計。