車輛中電子電路數量不斷增加，使得需要消耗的電池電量也隨之大幅增長。為了支持遙控免鑰進入和安全等功能，即使在汽車停車或熄火時，電池也要持續供電。
由於所有車輛都使用有限的電池供電，因此必須找到一種方法，一方面能增加更多功能（尤其是在設計汽車前端電源系統時），同時又不會顯著增加耗電量。是否需要符合嚴格的電磁相容性 (EMC) 標準（例如，國際標準組織的 ISO7637 和德國汽車製造商制定的LV 124標準），直接影響前端電池反向保護系統的整體設計。一些原始設備製造商將車輛處於停車狀態時的總電流消耗規定為：在 12V 電池供電系統中每個電子控制單元 (ECU) 低於100µA，在 24V 電池供電系統中低於500µA。
在本文中，我將介紹設計低靜態電流 (IQ) 汽車電池反向保護系統的三種方法。
使用 T15 作為點火或喚醒信號
設計低 IQ 電池反向保護系統的第一種方法是使用T15 作為點火或喚醒信號。T15 是一個接線端子，當車輛點火開關關閉時，它會與電池斷開連接。使用 T15 作為外部喚醒信號是一種在睡眠或活動模式下運行 ECU 的傳統方法。圖 1 為一個示例。
圖 1：使用 T15 作為喚醒信號的汽車 ECU 中的電池反向保護
當點火開關打開時，T15 會連接到電池電壓 (VBATT) 電位，從而使理想二極體的使能引腳處於邏輯高電平。處於有源模式下的理想二極體控制器，在啟用電荷泵、控制和場效應電晶體 (FET) 驅動器電路的同時，主動控制外部 FET 以實現理想二極體運行。當車輛停車時，T15 降至 0V，理想二極體控制器利用關斷狀態做出回應，這會導致電荷泵和控制塊關閉，從而使 IQ 消耗低於3µA。在這種工作模式下，外部 FET 關閉，FET 的體二極體形成正向傳導路徑，為負載供電。該方案需要額外向 ECU 接線。
使用系統的 MCU 和 CAN 喚醒信號
第二種方法是使用系統的微控制器 (MCU) 和控制器局域網 (CAN) 喚醒。在很多情況下，系統的通信通道使低 IQ 關斷模式成為可能。圖 2 為使用這種方法的示例系統設計。
圖 2：使用 MCU 和 CAN 喚醒信號實現使能控制的低 IQ 電池反向保護
車輛中的 CAN 收發器將消息從通信匯流排轉換到各自的控制器（通常是 MCU）。收發器可以通過發出進入待機模式直到被喚醒的命令，來指示何時不需要相關功能。此時中繼消息指示控制器會傳遞將系統置於低功耗狀態的指令，其實現方式是使理想二極體控制器的使能信號處於邏輯低電平。借助更先進的收發器和系統基礎晶片，一個器件可以處理此過程的多種功能，並過渡到低功耗狀態或進行喚醒。
該方案需要來自 MCU 的內部控制信號（通過 CAN 控制）。
使用常開理想二極體控制器
第三種方法是使用常開理想二極體控制器。大家可以想像一下這個不需要控制信號即可進入低功耗狀態的系統設計。在這種設計中，無需額外進行接線也無需依賴系統軟體，即可使理想二極體控制器始終處於啟用狀態，即使在睡眠模式下也是如此。這種類型的系統設計可以使用低 IQ 理想二極體控制器來實現，例如 LM74720-Q1、LM74721-Q1 或 LM74722-Q1，如圖 3 所示。這些器件集成了所有必要的控制塊，用於符合 EMC 標準的電池反向保護設計，並集成了用於驅動高側外部 MOSFET 的升壓穩壓器，從而使正常運行期間的 IQ 為27µA。如需瞭解更多資訊，請參閱應用手冊“理想二極體基礎知識”。
圖 3：使用不帶外部使能控制的常開低 IQ 理想二極體控制器實現電池反向保護
這些理想二極體控制器支持具有有源整流的電池反向保護，以及採用背對背 FET 拓撲的負載斷開 FET 控制，以在系統故障（例如過壓事件）期間保護下游，如圖 4 所示。
圖 4：使用 LM74720-Q1 的 24V 汽車 ECU 中的電池反向保護
借助可調節過壓保護功能，您可以使用 50V 額定下游濾波電容器（而非 80V 至 100V 額定電容器）和 40V 額定直流/直流轉換器（而非 65V 額定轉換器）進行基於 24V 汽車電池輸入的系統設計。
LM74720-Q1 和 LM74721-Q1 提供0.45µs反向電流的快速回應比較器和1.9µs正向電流的快速回應比較器，以及強大的 30mA 升壓穩壓器，以在高達 100kHz 頻率的汽車交流疊加測試中支持和實現靈活而高效的有源整流。LM74722-Q1 的整流速度比 LM74720-Q1 和 LM74721-Q1 器件快兩倍，正向比較器回應電流為 0.8µs，可實現高達 200KHz 的有源整流頻率。LM74721-Q1 具有集成漏源電壓 (VDS) 鉗位，可實現無瞬態電壓抑制器 (TVS) 的電池反向保護設計，從而使系統解決方案更加緊湊。如需詳細瞭解有源整流，請閱讀我們的應用報告“有源整流及其在汽車 ECU 設計中的優勢”。
結語
借助 LM74720-Q1、LM74721-Q1 和 LM74722-Q1 低 IQ 常開理想二極體控制器，您能夠設計汽車電池反向保護系統，而無需外部使能控制。這些理想二極體控制器具有低 IQ、背對背 FET 驅動能力和過壓保護特性，因此在設計中可以使用具有較低額定電壓的電容器等下游元件，並且可以為空間受限的 ECU 減小印刷電路板的尺寸。
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德州儀器（TI）（納斯達克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導體公司，致力於設計、製造、測試和銷售類比和嵌入式處理晶片，用於工業、汽車、個人電子產品、通信設備和企業系統等市場。我們致力於通過半導體技術讓電子產品更經濟實用，創造一個更美好的世界。如今，每一代創新都建立在上一代創新的基礎之上，使我們的技術變得更小巧、更快速、更可靠、更實惠，從而實現半導體在電子產品領域的廣泛應用，這就是工程的進步。這正是我們數十年來乃至現在一直在做的事。 欲瞭解更多資訊，請訪問公司網站http://www.ti.com.cn/。
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