在上期中，我們探討了一種用于高速射頻 ADC 前端進行窄帶信號匹配的全新方法與步驟。

本期，為大家?guī)淼氖恰都壜?lián)理想二極管：解決 48V EV 的電源難題》，介紹了一種用于 48V 電動汽車冗余電源的級聯(lián)理想二極管與瞬態(tài)鉗位網絡的全新方案，以解決在高壓故障和嚴苛瞬態(tài)環(huán)境下，實現(xiàn)可靠 ORing 功能需要依賴昂貴且難采購的高壓器件的挑戰(zhàn)。

引言

除了傳統(tǒng)的 12V 網絡外，48V 電池子系統(tǒng)的應用日益廣泛，這導致HEV/EV 電源系統(tǒng)的設計發(fā)生顯著變化。48V 系統(tǒng)可以提供更大的功率，無需大量的布線，可降低線束的功率損耗，從而延長續(xù)航里程。隨著這一變化，車輛配電架構正在從傳統(tǒng)的集中架構過渡到區(qū)域架構。在區(qū)域架構中，配電、通信和負載驅動根據在車輛中所處的位置而不是按功能分組，如圖 1 所示。區(qū)域架構可降低系統(tǒng)復雜性，并為原始設備制造商 (OEM)提供更多模塊化特性。

圖 1 現(xiàn)代車輛中的區(qū)域架構

圖 2 區(qū)域控制模塊中的典型配電

圖 2 顯示了一種典型的配電方式，即使用多個電源為區(qū)域控制模塊實現(xiàn)冗余電源。理想二極管（詳見白皮書《理想二極管基礎》）非常適用于需要反向電流阻斷和/或反向極性的應用。由于理想二極管具備反向電流保護功能，因此在需要組合多電源以提升系統(tǒng)冗余度 [2] 的應用中也很有用。但是，市場上現(xiàn)有理想二極管控制器的絕對最大電壓額定值僅為 72V，并且在支持某些 48V 系統(tǒng)設計方面存在限制。

本文討論了為 48V 系統(tǒng)設計 ORing 級所面臨的挑戰(zhàn)，以及級聯(lián)理想二極管配置如何實現(xiàn)可靠的 ORing 解決方案來安全地處理輸入電源中斷和外部瞬態(tài)事件。

挑戰(zhàn) 1：反向電源故障期間的高壓應力

如圖 2 所示，初級配電需要不間斷的電力供應。高壓電池 (VPRIM)由DC/DC 轉換器針對 48V 電壓軌進行降壓，然后備用 48V 輔助電源 (VAUX) 在“或”運算時提供冗余電源。如果VIN1發(fā)生反極性故障，DC/DC 轉換器輸出 VIN2 將為整個負載供電，如簡化示意圖 3 所示。但是，這會導致輔助電源路徑上的 ORing 產生高壓應力。48V 電源最高可達 54V 電壓，在控制器 LM74700D-Q1的陰極至陽極引腳之間產生 108V 的大電壓差，這超過了 75V 的絕對最大額定值。該解決方案還需要額定電壓至少為120V 的 MOSFET，這些MOSFET比60V FET的價格高，并且很難從多個供應商處采購。

圖 3 輸入反極性條件下的電壓應力

挑戰(zhàn) 2：符合 LV148 負載突降和開關瞬態(tài)要求

由于關斷負載和加速器尖端短路，電氣系統(tǒng)可能會發(fā)生瞬態(tài)過壓。對于 48V 系統(tǒng)，現(xiàn)行標準（ISO 21780 和 Liefervorschriften [LV] 148）規(guī)定了 E48-02 瞬態(tài)過壓曲線，如圖 4 所示。此曲線顯示，電壓最高可達 70V 并保持 40ms，某些 OEM 甚至達到 100ms。受測器件 (DUT)必須能夠承受這些功能狀態(tài)為 A 的事件，且DUT必須執(zhí)行所有功能。請注意，對于如此高的功率和更寬的瞬態(tài)，使用TVS 或齊納二極管進行鉗位的做法不切實際。簡單地說，直接連接到 48V 電壓軌的集成電路在所有條件下都必須能夠承受 70V 的電壓。但是，如果考慮到開關瞬態(tài)或元件裕量，器件應支持遠高于 70V 的電壓?，F(xiàn)有的理想二極管控制器在陽極到接地之間具有 72V 的絕對最大額定值，因此為系統(tǒng)設計人員留的裕度較小。

圖 4 LV 148 的 E48-02 瞬態(tài)過壓曲線

基于單一控制器的解決方案

圖 5 顯示了一個使用單個LM74700D-Q1的解決方案，但使用齊納鉗位電路可降低控制器陰極到陽極引腳之間 108V 的大電壓差。齊納二極管 DZ可以將陰極到陽極之間的電壓限制在其絕對最大額定值 (75V) 以下，而電阻器 RZ可以適當?shù)仄?DZ。但是，該解決方案仍需要額定電壓至少為120V 的 MOSFET，這比60V FET的價格高，并且很難從多個供應商處采購。此外，在正常運行時，電阻器 RZ會導致陰極路徑額外下降，從而影響反向電流保護閾值。

圖 5 采用單個高電壓 MOSFET 的解決方案

建議的級聯(lián)理想二極管配置

建議的解決方案使用兩個理想二極管控制器，并分別以串聯(lián)配置連接MOSFET Q1 和 Q2,如圖 6 所示。每個控制器的鉗位電路不僅可確保陰極至陽極低于 75V，還起到了均衡網絡的作用，從而確保在發(fā)生故障事件期間，Q1 和 Q2 之間共享相等的電壓。我們來考慮兩種常見故障場景下的電路工作原理

情況 1：啟動期間，當輸出 (VOUT) 的供電電壓為 54V 且輸入 VIN 為 0V 時，中點電壓 VMID保持在 0V。由于出現(xiàn)VOUT > VMID 且 Q2 阻斷 54V 的反向電流阻斷場景，第二個LM74700D-Q1 控制器會使 GATE2 保持關斷狀態(tài)。在這種情況下，用戶可在 VIN 處施加 54V 的反向電壓，由于出現(xiàn)陽極 < 0V 且 Q1 阻斷 54V 的反極性場景，第一個?LM74700D-Q1 控制器會使 GATE1 保持關斷狀態(tài)。

情況 2：在此場景中，VIN 以故障狀態(tài)（例如 -54V）啟動，然后系統(tǒng)在 VOUT = 54V 的情況下上電。由于第一個LM74700D-Q1 控制器會使 GATE1 保持關斷狀態(tài)以阻止 VMID 處的反向電壓，因此中點電壓 VMID 保持在 0V。同樣，第二個LM74700D-Q1 控制器會因反向電流阻斷情況而使 GATE2 保持關斷狀態(tài)。MOSFET Q1 和 Q2都會產生 54V 的電壓應力。在故障情況下，MOSFET 兩端的電壓都低于 60V，因此該解決方案讓客戶可以靈活地選擇額定電壓為 60V 且易于從多個供應商處采購的傳統(tǒng) FET。

如圖 6 所示，該解決方案還在接地路徑中包含一個瞬態(tài)鉗位網絡（DC、Q3、RB 和 DB），以處理超出LM74700D-Q1絕對最大額定值的開關瞬態(tài)電壓。在正常運行時，器件接地端和系統(tǒng)接地端之間的電勢差只是 Q3 的 VBE，但只要 VIN 超過二極管 DC 的擊穿電壓 (VBR-DC)，晶體管 Q3 便會在其兩端降低電壓并將器件接地電勢升高。這有助于將LM74700D-Q1的陽極至接地電壓限制為接近直流擊穿電壓，從而有助于實現(xiàn)可擴展的瞬態(tài)處理解決方案。二極管 DB 的作用是在輸入電源反向條件下阻斷反向電流路徑。

圖 6 級聯(lián)理想二極管配置

元件選擇和測試結果

務必要考慮如何選擇系統(tǒng)中的關鍵元件來達到這些效果。

對于理想二極管 MOSFET Q1 和 Q2，具有 +/-20V VGS(MAX) 的 60V VDS(MAX) 可在所有故障條件下提供足夠的裕度。標稱電流下的 RDS_ON：（20mV/標稱電流）≤ RDSON ≤（50mV/標稱電流）對于保持較低的反向電流十分重要。例如，在 5A 設計中，RDS_ON 的范圍在 4mΩ 到 12.5mΩ 之間。

MOSFET 柵極閾值電壓 Vth 的最大值為 2V。

PNP 晶體管 Q3會在齊納二極管 DC激活后出現(xiàn)最大壓降，并且其額定電壓應大于 (VIN-MAX – VBR-DC)。它還必須支持LM74700D-Q1的靜態(tài)電流（小于 1mA）?？梢允褂肂C857-Q 等晶體管。

對于齊納二極管 DZ1 和 DZ2：應選擇BZX84J-B62 等 62V 齊納二極管，以便將陰極限制為低于 75V 的陽極。對于齊納二極管 DC，直流電路的擊穿電壓 (VBR-DC) 決定了 VIN 上出現(xiàn)開關瞬態(tài)時，陽極至接地引腳之間的鉗位電壓。利用BZX84J-B62 等 62V 齊納二極管可以限制電壓并為LM74700D-Q1提供足夠的裕度。阻斷二極管 DB 的阻斷電壓應接近最大輸入電源反向電壓，因此應選擇額定電壓至少為 60V 的二極管，例如NSR0170P2T5G。

電阻器 RZ1 和 RZ2是適用于 DZ1 和 DZ2 的偏置電阻器。1kΩ 到 2kΩ 范圍內的任何值都應該足夠了。電阻器 RB 是直流電的偏置電阻器，10kΩ 到 47kΩ 范圍內的任何值都足以滿足要求。

圖 7 和圖 8 展示了在系統(tǒng)啟動前后施加輸入反極性時，MOSFET上的漏源電壓分布情況。如圖所示，MOSFET 共享相同的電壓，每個 MOSFET 的最大電壓小于 60V。圖 9 顯示了接地路徑瞬態(tài)鉗位網絡的性能，其中陽極至 IC 接地鉗位至 62V，以應對 VIN 上發(fā)生的 70V 負載突降事件。

圖 7 MOSFET 在輸入反極性條件下的電壓共享情況

圖 8 MOSFET 在輸出端熱插拔期間的電壓共享情況

(VIN = -54V)

圖 9 建議解決方案對 70V 負載突降事件的響應

結語

雖然 48V 系統(tǒng)具有許多優(yōu)點，但也為配電級中的冗余電源 ORing 帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。建議的級聯(lián)理想二極管配置帶接地路徑瞬態(tài)鉗位網絡，使采用 60V 額定電壓且易于從多個供應商處采購的傳統(tǒng) FET 的系統(tǒng)設計成為可能。建議的方法還為開關瞬態(tài)提供了足夠的電壓裕度，從而在 48V 系統(tǒng)中實現(xiàn)可靠的 ORing 解決方案。

參考資料

“理想二極管基礎知識”德州儀器 (TI) 應用報告，文獻編號 SLVAE57B，2021 年 2 月。

“使用理想二極管控制器的汽車應用冗余電源拓撲”德州儀器 (TI) 模擬設計期刊，文獻編號 SLYT848，2024 年 3 月。

德州儀器 (TI)，LM74700D-Q1 車用低 IQ 反向電池保護理想二極管控制器，數(shù)據表。