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  • 肖特二極管與MOSFET的反向極性保護(hù)詳解
    • 發(fā)布時間:2024-12-25 18:11:19
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    肖特二極管與MOSFET的反向極性保護(hù)詳解
    反向極性保護(hù)這個詞許多工程師并不陌生。大多數(shù)前端電源系統(tǒng),特別是電子汽車領(lǐng)域中,極性反接保護(hù)成為連接電池的 ECU/系統(tǒng)的一個關(guān)鍵組成部分。
    它主要防止在浪涌事件,或者感應(yīng)負(fù)載與電池斷開連接期間出現(xiàn)動態(tài)反極性情況,因?yàn)榉聪蜻B接的電源會出現(xiàn)損壞連接的子系統(tǒng)、電路和組件的可能性。
    一般情況下,肖特基二極管會是防止反極性條件的傳統(tǒng)選擇,但正向?qū)ㄔ斐傻墓β蕮p失后。需要額外進(jìn)行詳細(xì)的熱計(jì)算評估,這導(dǎo)致系統(tǒng)成本和空間增加。在科技產(chǎn)品不斷更新迭代與快速進(jìn)步的時代下,我們有了更加便利和更加高效的反極性保護(hù)方法。
    本文要點(diǎn)
    本期內(nèi)容我們要講解的是肖特二極管和MOSFET的反極性保護(hù),著重講解的是MOSFET反極性保護(hù)的情況,進(jìn)而比較NMOS和PMOS兩者在其中的工作分析。
    在此之前,先簡單說一下“傳統(tǒng)二極管保護(hù)”。
    防止輸入極性反向的常用方法:在系統(tǒng)電源路徑的輸入端添加一個串聯(lián)二極管。
    作用:一般情況下負(fù)載電流沿二極管的正向流動。但如果電池安裝的極性錯誤,二極管就會反向偏置并阻斷反向電流,從而保護(hù)負(fù)載免受負(fù)電壓的影響。
    這種簡單傳統(tǒng)的反向極性保護(hù)存在一些缺點(diǎn):
    1、功率耗散,在較高負(fù)載電流下,正向壓降導(dǎo)致的正向?qū)〒p耗會明顯損失;
    2、熱管理(前面有提到),管理功耗需要散熱器增加了總成本和空間;
    3、更高的正向電壓降;
    4、反向漏電流,二極管的反向漏電流隨著結(jié)溫的升高而猛烈增加,導(dǎo)致產(chǎn)生功耗更高。
    肖特二極管 MOSFET 反向極性保護(hù)
    二極管的反向極性保護(hù)
    與肖特基二極管相比,MOSFET的壓降一般要低得多。
    首先來講P MOS進(jìn)行反向極性保護(hù)
    上期我們有講到MOSFET的體二極管,與所有 MOSFET 一樣,P MOS 在源極和漏極之間同樣有一個本征體二極管。
    當(dāng)電池連接時體二極管導(dǎo)通,隨后 MOSFET 的溝道導(dǎo)通。
    這里有個前提條件我們之前也提到過,要使 P MOS 導(dǎo)通,柵極電壓需要比源極電壓低至少 VT(閾值電壓)。當(dāng)電池反接時,體二極管反偏,柵極和源極電壓會相同,因此 P MOS 關(guān)斷。
    肖特二極管 MOSFET 反向極性保護(hù)
    PMOS提供極性反接保護(hù)
    這時,使用一個額外的齊納二極管來箝位 P MOS 的柵極,在電壓過高起到保護(hù)作用。
    使用N MOS進(jìn)行反向極性保護(hù)
    當(dāng)電池正確連接時,即源極連接到 VBAT,要使 MOSFET 導(dǎo)通,柵源電壓(Vgs)必須高于閾值電壓(Vth)。因?yàn)樵礃O連接到 VBAT處,所以柵極電壓需要比 VBAT 高至少Vth(閾值電壓)。
    因此,我們可以使用一個專用驅(qū)動器來驅(qū)動 N MOS 的柵極電壓,讓其高于源極電壓,使NMOS導(dǎo)通。當(dāng)電池反接時,體二極管反偏,接著驅(qū)動器被禁用(源極和柵極短路),N MOS 關(guān)斷。
    肖特二極管 MOSFET 反向極性保護(hù)
    NMOS提供極性反接保護(hù)
    三者的比較分析
    從以上的分析可以對肖特二極管及MOSFET進(jìn)行簡單的對比。
    肖特二極管
    優(yōu)點(diǎn):成本較低,操作簡單
    缺點(diǎn):功耗損耗較高,壓降較高
    MOSFET
    優(yōu)點(diǎn):1.產(chǎn)品具備靈活性(不同的RDS(ON)的MOSFET)
    2.功耗較低,壓降較低
    缺點(diǎn):1.RDS(ON)較低的MOSFET成本較高,總成本可能略高(需要利用額外的控制器)
    2.有一定的復(fù)雜度
    NMOS和PMOS的使用比較
    我們知道P MOS的操作一般取決于空穴的遷移率,而 N MOS的操作取決于電子的遷移率。
    對于相同的漏極電流,電子的遷移率比空穴的遷移率更高,幾乎 2.5 倍。因此,為實(shí)現(xiàn)相同的導(dǎo)通電阻,P MOS的芯片尺寸需要比 N MOS 更大,這也造成相應(yīng)的成本也更高。所以在反向極性保護(hù)中,NMOS會更適合此類應(yīng)用。
    同樣上面我們也提到了,選擇低導(dǎo)通電阻的MOSFET產(chǎn)品也是其優(yōu)勢之一。微碧VBsemi的MOSFET產(chǎn)品具有較低的導(dǎo)通電阻,更小的尺寸和較優(yōu)的散熱功能,可提供強(qiáng)大的反向極性和反向電流阻斷。
    可以根據(jù)自身應(yīng)用需求以及各種電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用場景,選擇所匹配的MOSFET 。
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