采用驱动IC和NMOS的防反电路设计

        引言：无论是常规的低侧NMOS防反接电路还是高侧的PMOS防反接电路均有其局限性。本节简述采用驱动IC加NMOS的方案做防反电路的设计及其优点。

1、高边NMOS防反

        PMOS的高边防反接使用自驱效应，但其存在待机电流偏大和电流反灌隐患，并且PMOS价格偏高，几乎没有使用驱动IC+PMOS高边防反这种设计，所以为了均衡价格因素和Rdson，消除待机电流偏大和电流反灌隐患（若单纯使用高边NMOS，也会有待机电流和电流反灌问题），使用驱动IC+NMOS这种高边防反接设计。但这里并不是否定低边NMOS防反和高边PMOS防反，实际上低边NMOS防反和高边PMOS防反使用的更多，驱动IC+NMOS这种方式一方面是为了应对测试机构的测试用例，一方面是应对可预见的实际问题。通常使用高边PMOS防反接并没有什么问题。

        使用高边NMOS防反接，通常没有足够高的电压来驱动栅极，此时可以使用驱动IC来从高边取电，输出比S极更高的电压来驱动NMOS导通，驱动IC有两种：电荷泵型和Buck-Boost型，见图1。带驱动IC这种形式，虽然这增加了电路的复杂性，但N沟道MOSFET的导通电阻较低。

        在大部分时间都处于正常连接供电场景中，由于电荷泵型和Buck-Boost型将额外消耗电流（需要不断地工作产生驱动电压维持NMOS的开启），单纯的高边PMOS防反接效率反而更好。

        图1：高边NMOS防反驱动--->NMOS+驱动IC

2、电荷泵驱动NMOS

        如图2所示，这是一个采用电荷泵做NMOS驱动的简图：

        图2：电荷泵驱动NMOS高边开关

        Ctrl控制电荷泵工作产生高压驱动NMOS导通工作。

        如图3是电荷泵驱动内部图，Ci是小电容，充放电速度快，Co是大电容，负载能力强。通过频繁的开关，S1、S2和S3、S4就能不断地将Ci上的电荷搬运到Co上，而Co是相对于输入电压，因此我们就能够得到比输入电压更高的驱动电压。当需要驱动NMOS导通时，使能开关S0。当不需要驱动NMOS导通时，失能S0。

                图3：电荷泵驱动NMOS高边开关简图

        采用电荷泵型的驱动方案，整体物料少，成本较低，适用于电流不大的场景。

3、Buck-Boost型驱动NMOS

        如图4所示，是一个基于Buck-Boost拓扑的NMOS驱动拓扑。当Buck-Boost的S1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S1关断时，电感产生反向电动势，下正上负，通二极管给电容C1充电，这样C1的电压就会高于输入电压，也即VGS大于开启阈值。

图4：电感通过二极管释放能量，电感电压上负下正给电容充电

        采用Buck-Boost型的防反方案，IC的驱动能力强，EMC性能好，适用于大电流，追求高性能的场合，比如汽车各类域控制器、汽车音响系统，汽车USB PD充电器。

4、两种驱动方式的比较

        当需要驱动NMOS导通时，使能S0就能驱动NMOS可靠导通。Buck-Boost型有更大的驱动电流能力。Buck-Boost型防反驱动能更快地响应输入电压的各种波动，其中最典型的当属输入叠加高频交流纹波。当输入叠加交流纹波时，Buck-Boost型防反驱动能快速响应（带反馈），图5是输入叠加100KHZ峰值两幅条件下的实测波形：

图5：Buck-Boost型防反驱动响应波形

        紫色是输入防反NMOS的输入电压，浅蓝色防反NMOS的D级输出电压，虽然输入电压波动很大，但是经过NMOS后反而变得平顺了。红色是MOSFET驱动VGS电压，绿色是负载电流。可以看到，当输入电压处于波动过程中，当 VS 低于VD时，关闭NMOS驱动，防止电容电流反灌。当VS高于VD时，开启NMOS驱动，及时驱动主沟道导通，避免只有体二极管导通。

图6：电荷泵型防反驱动响应波形

        电荷泵型防反驱动由于驱动电流能力不强，所以需要更频繁的搬移电荷。当输入叠加高频交流纹波时，有可能会出现如图11-7所示G极驱动脉冲丢失或者G极驱动脉冲常开的现象。图11-6是实测采用电荷泵型防反驱动的波形。黄色是防反NMOS输入电压，红色是NMOS的输出D极电压，绿色是NMOSFET的驱动VGS电压，蓝色是负载电流。在门级驱动脉冲丢失的时间内， NMOS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。在门级驱动脉冲常开的时间内，相当于NMOS常通，电解电容反复充放电，导致发热严重。

        图7：电荷泵型防反驱动动态影响

       其次是EMC问题，采用电荷泵型的防反驱动，虽然没有电感，但它属于电容式开关电源，其效率低，工作频率高。因为芯片内部集成的电容一般容值不大，是pF级别，芯片外围给MOS做驱动的电容一般容值较大，是uF级别。如需要在1ms内将NMOS的驱动电压升起来，则必然需要反复将pF级别的电容电荷搬运到uF级别的电容上，其开关频率不可避免在10MHZ以上，这就有可能带来潜在的EMC风险，如图8所示：

        图8：电荷泵型驱动带来的EMC隐患实测

        采用Buck-Boost的防反驱动，其效率远高于电荷泵性。芯片内部一般采用定峰值电流模式，这种模式负载越轻，开关频率越低。而MOSFET是电压型器件，其电流消耗很小，因此开关频率极低，几乎没有EMC的问题。

        图9：ISO7637-Pulse1测试波形

        图10：ISO16750-4.6测试波形

        图11：ISO7637-Pulse5b测试波形

        图12：ISO16750-4.4测试波形

        如图9至图12所示的测试机构电源测试波形，采用Buck-Boost型的驱动IC，其EMC测试结果能完美通过国标等级5的测试，配合合适的外围参数设计，能够轻松应对各种电源线抗老实验，是汽车电子产品可靠的前端防反设计。