采用智能理想二极管控制器实现前端保护
上述的传统反极性保护解决方案很难满足新型系统的诸多需求，例如低成本、小尺寸、高效率和多功能性。但能够驱动外部 N 沟道 MOSFET (N-FET) 的智能理想二极管控制器则完全满足这些要求。
N-FET 必须放置在高端，智能二极管控制器 IC 也从高端获取电源。内部电源电压必须超过电池电压 (VBATT) 才能驱动 N-FET。产生该电源电压的方法有两种：通过电荷泵或升压（见图 4）。下面将对这两种方法进行详细描述。
图4: 智能二极管控制器栅极驱动方法
电荷泵
图5显示了用四个开关（S1、S2、S3和S4）实现电荷泵的工作原理。 CT是具有快速充电和放电速度的低值电容， CCP 是具有大负载能力的高值电容。当时钟的脉宽调制（PWM）信号为高电平时，S3和S4导通，内部源对 CT进行充电；当PWM信号为低电平时，S3和S4断开，S1和S2导通，电荷泵电容 (CCP) 由 CT充电。
图5: 内部电荷泵电路
这样，通过S1和S2（以及S3和S4）的频繁切换， CT 上的电荷可以不断传输到 CCP。此外， CCP的负极连接到电池电压 (VBATT)，因此N-FET可以被超过 VBATT的电压驱动。
电荷泵效率低，驱动电流能力弱，通常只有10mA到30mA的上拉电流。当 VBATT 快速波动时（当输入中叠加了ISO 16750-2标准高频交流信号时，如图6所示），极易产生栅极驱动脉冲丢失、栅极驱动脉冲不断导通等异常现象。
图 6：ISO 16750-2 标准叠加交流电压
如果栅极驱动脉冲丢失，N-FET保持关断状态，电流由其体二极管传导，这将导致大量的热损耗；而当栅极驱动脉冲不断导通时，N-FET保持导通状态，输出电解电容 (COUT) 反复充电和放电，又会导致过热。
此外，尽管电荷泵没有电感，但电荷泵电路为电容式开关电源，其效率较低，需要极高的工作频率 (fSW)。通常， CT 的集成电容较小（在pF范围内）， CCP 的外部电容较大（在µF范围内）。因此，电荷泵的 fSW 常超过10MHz，这会带来EMI问题和更高的 IQ。
总之，电荷泵解决方案具有较低的整体BOM要求，可以降低成本，但只推荐用于小电流应用；对于大功率应用，其容量不足。
升压变换器
图 7 显示了升压变换器解决方案的工作原理。当 S1 导通时，电感由 VBATT充电，电感上的电流增大。一旦电感电流 (IL) 达到固定峰值电流阈值，S1 就会断开。 IL 继续流过二极管 (D1) 并为电容 (C1) 充电。当 C1 上的电压超过 VBATT时，N-FET 栅极被拉高。
图7: 内部升压电路
使用升压变换器驱动外部N-FET时，升压变换器的效率较高，可提供较大的驱动电流容量（超过100mA）和较快的输入干扰响应。因此对于大功率应用，建议采用集成了升压变换器的智能二极管控制器解决方案，这种方案同时还能实现良好的 VIN 整流效果。
此外，升压变换器采用固定峰值电流模式控制，这意味着其负载越轻， fSW也较低。由于 N-FET 仅消耗很少的电流，因此可实现具有超低 fSW 且几乎不存在 EMI 问题的解决方案。
新型智能理想二极管解决方案
为了满足前端对大电流、快速响应和小尺寸的需求，MPS 开发了可用于汽车前端保护的 MPQ5850-AEC1（见图 8）。
图 8：MPQ5850-AEC1 及典型应用电路
MPQ5850-AEC1是一款智能理想二极管控制器，可驱动外部 N-FET ，取代肖特基二极管或 P-FET 实现反向输入保护。该器件集成了内部升压电路，即使在低输入 VBATT条件下，也能提供升压电压导通外部 N-FET。图 9 显示了该器件的功能框图。
图9: MPQ5850-AEC1功能框图
MPQ5850-AEC1通过调制外部 N-FET 的栅极将源漏电压 (VSD) 调节至 20mV。其 20mV 超低压差可最大限度地减少功耗，并能够轻松检测到微小的负电流。
该器件还具有4μA 关断电流和 30μA IQ，因此是电池供电应用的理想选择。MPQ5850-AEC1 具有强大的栅极驱动能力（170mA 上拉和 430mA 下拉），可实现超快速瞬态响应，并满足严格的 ISO 16750 和 ISO 7637 要求，例如 4 类负脉冲和 100kHz 输入叠加高频交流信号。图 10 显示了部分测试波形。
图 10：MPQ5850-AEC1 负脉冲及同步输入测试波形
MPQ5850-AEC1的内部电路由漏极电压 (VDRAIN) 而非 VBATT供电。如果 VDRAIN 超过其欠压锁定 (UVLO) 阈值，则 MPQ5850-AEC1 正常运行，即使在严重冷启动条件下，VBATT降至 0V时，也能正常工作。
如果 VDRAIN 降至 UVLO 阈值以下，MPQ5850-AEC1会将 GATE 引脚下拉至 SOURCE 引脚（也是 N-FET 的源极），直到储能电容上的电压放电至UVLO 阈值以下。这样，该器件就能够在临时低压瞬变（例如冷启动条件）期间最小化正向压降。图 11 显示了冷启动的测试波形。
图11: MPQ5850-AEC1冷启动测试波形
MPQ5850-AEC1还集成了开漏电源正常 (PG) 信号引脚，用于指示特定的状态，例如当升压电容失调、过流 (OC) 条件持续时间超过 17μs 或器件被禁用时。与此同时，内部升压采用低频、固定峰值电流模式控制器，这让 MPQ5850-AEC1 具有出色的 EMI 性能（见图 12）。
图12: MPQ5850-AEC1的 CISPR 25 Class 5 CE 和RE EMI 性能
总结
就前端保护而言，肖特基二极管成本低、电路简单，可用于小电流应用；但随着电流的增大，该方案的功率和热损耗也越来越严重。对于较大电流应用，可以采用MOSFET电路，但应根据具体应用情况选择P-FET或N-FET。P-FET不能在低压下使用，也不能提供输入整流。
比较采用N-FET的两种方法，电荷泵驱动方案的整体BOM要求较低，因此可以降低成本；但其EMC性能较差，更适合小电流应用，例如汽车USB电源设备的大功率充电模块。升压变换器解决方案，例如MPQ5850-AEC1，具有强大的驱动能力和出色的EMC性能。这种解决方案可用于大电流和高性能环境，例如汽车域控制器和音频系统。
表1对上述不同解决方案进行了比较。
表1: 前端保护解决方案的比较
结语
本文比较了四种汽车电池前端保护（尤其针对反极性）解决方案，包括肖特基二极管、P 沟道 MOSFET 或带有 N 沟道 MOSFET 的智能控制器。根据应用需求的不同，这些方案可能各具优势。采用智能控制器（如 MPQ5850-AEC1 ）不仅能实现完整的解决方案，还能提高效率、最大限度地降低 EMI 并支持在恶劣条件下的运行（例如冷启动条件和输入叠加高频交流条件）。了解 MPS 广泛的 汽车级智能控制器 产品组合，可以帮助您满足设计要求。
