Author: Siva Uppuluri, Applications Engineer
在车辆使用寿命期间，可能需要将其电池断开以进行维护工作，或者如果发生故障则更换电池。在重新连接期间，可以反转电池连接的极性，这可能导致潜在的短路和连接到电池的负载的其他问题。
遗憾的是，这个问题并不完全通过不同尺寸的电池端子的机械设计或使用突出的电缆，连接器和端子的颜色编码来防止。因此，某种形式的电子阻断或反极性电压保护是必要的，不仅仅是为了保护电池本身，而是为了保护现代车辆所依赖的数量不断增加的电子控制单元（ECU）。
本文探讨了可用于反向电池保护的各种方法，并检查了每种方法的优缺点。尤其是它的外观超势垒整流器（SBR ®），其中涉及各种基于MOSFET的解决方案的缺点，甚至出在执行效率和耐用性方面的简单的肖特基二极管。
潜在保护电路：
保护ECU的常用方法包括使用阻塞二极管，或者使用MOSFET作为理想二极管来避免常规整流二极管的低效率。其他解决方案可能使用专门设计的IC。
最终，所选择的解决方案必须满足最终应用的特定环境所需的性能，考虑诸如元件数量/复杂性，成本，能效等因素，并且可能最重要的是，它是否能够充分承受故障条件和任何相关的瞬态。后者通常使用ISO7637-2定义的脉冲进行评估，该脉冲测试安装在车辆中的设备与传导电瞬变的兼容性，如稍后所述。
阻塞二极管是防止反向电池连接的最简单方法。将整流二极管与ECU负载串联插入可确保电流仅在电池正确连接时流动。
由于不需要控制信号，因此电路复杂性和元件数量很少。另一方面，由于其正向电压VF，二极管在ECU上电时会耗散能量，这会在高功率应用中造成重大损失。
使用低VF器件（例如肖特基二极管）代替标准整流器可以减轻与标准整流器相关的损耗。然而，肖特基二极管的反向泄漏特性尤其取决于温度，导致能量损失增加，并且如果在高温条件下施加高反向功率则使器件易受热失控的影响。
将高侧电源中的MOSFET插入ECU并连接栅极，以便仅在电池极性正确时才打开设备是另一种解决方案。由于MOSFET导通电阻（RDS（ON））通常仅为几毫欧，因此与二极管VF引起的损耗相比，I2R功率损耗较低。
此外，反向阻断性能比肖特基二极管更强大。可以使用N沟道或P沟道MOSFET，条件是器件的漏源体二极管用于将电流以正确的方向流入ECU。
N沟道或P沟道MOSFET可用于高端反向电池保护。N通道器件凭借其低RDS（ON）提供最低功耗损耗拓扑。
但是，需要一个大于电池电压的栅极电压才能使MOSFET导通。这需要如图1所示的电荷泵，这增加了电路复杂性和元件成本，并且还可能引入EMI挑战。
同等尺寸的P沟道MOSFET将具有更高的RDS（ON）并因此具有更高的功率损耗，但是可以通过包括齐纳二极管和电阻器的更简单的驱动电路来实现。
尽管在低端电路中插入N沟道MOSFET将不再需要电荷泵，但它也会引入一种对敏感汽车系统不可接受的接地偏移。
图1a。提供MOSFET栅极电压所需的电荷泵增加了复杂性并可能引入EMI问题。
图1b：用于反向电池保护器件的P沟道MOSFET需要更少的元件，但会导致更高的功率损耗
Super Barrier Rectifier是Diodes Incorporated的专有整流器技术，它结合了传统二极管的简单性和坚固性以及肖特基二极管的低正向电压，为逆电池保护的挑战提供了卓越的性能解决方案。图2显示了SBR如何插入ECU的高压侧电源，与传统二极管的方式大致相同。
图2. SBR的连接方式与二极管或MOSFET相同，无需电荷泵电路。
超级屏障整流器使用MOS通道为多数载波创建低势垒。
与典型的肖特基器件不同，这导致低VF和高可靠性的组合。同时，SBR具有较低的反向泄漏，即使在高温下也能保持稳定，从而最大限度地减少能量损失并避免与肖特基二极管相关的热失控风险。
此外，不受肖特基结的影响也可确保更高的浪涌容限。此外，SBR避免了N沟道MOSFET所需的电荷泵，这意味着不存在EMI问题。
虽然设计用于防止由于电池反接而导致的电流流动，但保护装置本身可能会受到潜在的破坏性瞬变。虽然许多类型的开关瞬态可以产生短持续时间的脉冲，但是最危险的高能脉冲是。
ISO脉冲测试：
任何旨在保护车辆电池免受反向连接的解决方案也需要足够坚固以承受开关瞬变，例如由电感负载或负载突降时电源突然断开等事件引起的高能脉冲，即当从交流发电机充电时断开电池。
当应用于提供反向电池保护的电路时，使用ISO7637-2定义的脉冲进行测试以满足最恶劣的这些条件：
脉冲1表示在为感应负载供电时供电断开的情况，其中整流器经受高负电压脉冲。
ISO定义的脉冲条件如图3所示。
图3. ISO测试脉冲1模拟由电源断开引起的严重负脉冲。
除了这个脉冲之外，脉冲3a还使器件承受高负电压，但该脉冲的持续时间非常短（0.1μs），该脉冲代表开关瞬态。
这些负瞬态电压暂时使保护装置处于雪崩状态。
雪崩条件及其对半导体结的影响的详细描述超出了本文的范围。然而，简单来说，当PN结经受雪崩状态时，结会断开并允许大量的反向电流流过它。
如果设备无法处理所涉及的电流和能量，则雪崩会造成不可逆转的损坏。在汽车反向电池保护应用中，这些雪崩状况是由于存储在诸如继电器之类的感应负载中的磁能和任何寄生电感而发生的，使得它成为有限的能量事件。
因此，如果设备具有足够的雪崩等级，它可以在这些情况下存活。
选择具有明确且有保证的雪崩规范的保护装置至关重要，例如反向保护SBR，其特性如图4所示。
基于图3中给出的脉冲波形和条件，脉冲中涉及的峰值雪崩功率1测试可以计算为：
Pavalanche_peak = Vavalanche * Iavalanche_peak
where:
Vavalanche = US = 100V
and:
Iavalanche_peak = Vavalanche/Ri = 100V/10Ω = 10A
hence:
Pavalanche_peak = 100V * 10A = 1000W
However the figure that matters in withstanding the energy generated by Pulse 1 is the average power over the duration of the pulse, given by:
Pavalanche_average = 0.5 * Vavalanche * Iavalanche_peak = 0.5 * 100V * 10A = 500W
因此，由于ISO7637-2中脉冲1的规定宽度为2ms，从图4可以看出，该SBR器件的雪崩性能超过了ISO7637-2的要求。由于另一个负脉冲，即脉冲3A，是一个持续时间仅为100ns的瞬态，符合脉冲1的器件也将通过脉冲3A测试。
图4：脉冲持续时间与最大雪崩功率（二极管SBR30A60CTBQ 设备）
图5比较了10A 45V SBR与两个竞争性肖特基二极管的雪崩能力。可以看出，SBR的雪崩能力比肖特基技术好3到10倍。
因此，SBR更适合逆向电池应用，在这些应用中会发生反向雪崩情况。通过精心设计，也可以通过MOSFET解决方案实现类似于SBR的雪崩耐用性。
图5.与肖特基二极管相比，SBR具有出色的雪崩耐用性，允许使用额定值较低的器件以提高效率。
脉冲5a表示当交流发电机对其充电时当放电的电池断开时发生的负载突降的情况。
这是设备可以看到的最严重的正脉冲。ISO7637 Pulse 5a定义如图6所示。
图6.了解器件的浪涌电流能力有助于确定ISO 7637 Pulse 5a的生存能力。
对脉冲5a的考虑得出结论，在选择反向电池阻断装置时，关于装置的正向浪涌电流能力的信息是必要的。
来自Diodes Incorporated的ACQ101合格SBR的数据表包括此信息。
最后，器件的热容量直接影响器件对ISO脉冲的稳健性。
Diodes Inc.提供各种封装的SBR解决方案，以满足应用的热性能和PCB空间要求。
结论：
当为汽车ECU实现所需的电池反极性保护时，许多方法都是可行的。
设计人员需要考虑诸如ECU功耗和成本等因素，以实现效率，电路复杂性，电磁兼容性和耐用性的最佳组合。超级屏障整流器专为汽车等高功率，高温应用而开发，为肖特基二极管提供价格极具竞争力的替代品，可在低成本，低复杂性和无EMI的情况下提供更高的效率和可靠性问题，是优先事项。
SBR是Diodes Incorporated的注册商标。
