設(shè)計低靜態(tài)電流 (Iq) 汽車反向電池保護系統(tǒng)的 3 種方法

車輛中電子電路數(shù)量的增加對電池消耗的電量提出了更高的要求。即使在汽車停放或關(guān)閉時，電池電源仍會保持開啟，以支持遠程鑰匙進入和安全等功能。

由于所有車輛都使用有限的電池供電，因此重要的是找到一種方法來增加更多功能——尤其是在設(shè)計汽車前端電源系統(tǒng)時——而不會顯著增加電池消耗。是否需要符合國際標準化組織的 ISO7637 和德國汽車制造商制定的 LV 124 標準等嚴格的電磁兼容性 (EMC) 標準，直接影響前端電池反向保護系統(tǒng)的整體設(shè)計。一些原始設(shè)備制造商將車輛處于停車狀態(tài)時的總電流消耗指定為在 12 V 電池供電系統(tǒng)中每個電子控制單元 (ECU) <100 μA，在 24 V 電池供電系統(tǒng)中 <500 μA。 

在本文中，我將回顧設(shè)計低靜態(tài)電流 ( IQ ) 汽車反向電池保護系統(tǒng)的三種方法。

使用 T15 作為點火或喚醒信號

設(shè)計低 I Q反向電池保護系統(tǒng)的第一種方法是使用端子 15 (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(guān)關(guān)閉時，它會與電池斷開連接。使用 T15 作為外部喚醒信號是在睡眠或活動模式下運行 ECU 的最傳統(tǒng)方法之一。圖 1 顯示了一個示例。

圖 1：使用 T15 進行喚醒的汽車 ECU 中的反向電池保護

當點火開關(guān)打開時，T15 連接到電池電壓 (V BATT ) 電位，從而將理想二極管邏輯的使能 (EN) 引腳驅(qū)動為高電平。理想二極管控制器在有源模式下，在啟用電荷泵、控制和場效應(yīng)晶體管 (FET) 驅(qū)動器電路的同時，有源控制外部 FET 以實現(xiàn)理想二極管的運行。當車輛停放時，T15 降至 0 V，理想二極管控制器通過進入關(guān)斷狀態(tài)做出響應(yīng)，這會關(guān)閉電荷泵和控制塊，從而導(dǎo)致IQ消耗 < 3 μA。在這種工作模式下，外部 FET 關(guān)閉，F(xiàn)ET 的體二極管形成正向傳導(dǎo)路徑，為負載供電。該方案需要額外的連接到 ECU 的接線。

使用系統(tǒng)的MCU和CAN喚醒信號

第二種方法是使用系統(tǒng)的微控制器 (MCU) 和控制器局域網(wǎng)( CAN) 喚醒。在許多情況下，系統(tǒng)的通信通道使低 I Q 關(guān)斷模式成為可能。圖 2 顯示了使用這種方法的示例系統(tǒng)設(shè)計。

圖 2：使用 MCU 和 CAN 喚醒信號進行使能控制的低 I Q反向電池保護

車輛中的 CAN 收發(fā)器將消息從通信總線轉(zhuǎn)換到各自的控制器——通常是 MCU。收發(fā)器可以通過發(fā)出進入待機模式直到被喚醒的命令來指示何時不需要功能。然后，他們轉(zhuǎn)發(fā)消息，指示控制器將系統(tǒng)置于低功耗狀態(tài)——在這種情況下，通過將理想二極管控制器邏輯的 EN 信號驅(qū)動為低電平。借助更先進的收發(fā)器和系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片，一臺設(shè)備可以處理此過程的多種功能，過渡到低功耗狀態(tài)或喚醒。

該方案需要來自 MCU 的內(nèi)部控制信號（通過 CAN 控制）。

使用始終開啟的理想二極管控制器

第三種方法是使用始終開啟的理想二極管控制器。想象一個不需要控制信號即可進入低功耗狀態(tài)的系統(tǒng)設(shè)計。這將消除對額外布線或系統(tǒng)軟件依賴性的需要，同時允許始終啟用理想的二極管控制器，即使在睡眠模式下也是如此。這種類型的系統(tǒng)設(shè)計可以使用低 I Q理想二極管控制器，例如 LM74720-Q1、LM74721-Q1 或 LM74722-Q1，如圖 3 所示。這些器件集成了符合 EMC 標準的所有必要控制塊反向電池保護設(shè)計，以及用于驅(qū)動高端外部 MOSFET 的升壓穩(wěn)壓器，從而在正常工作期間產(chǎn)生 27 μA 的 I Q。

圖 3：使用始終開啟的低 I Q理想二極管控制器，無需外部使能控制來實現(xiàn)電池反向保護

這些理想的二極管控制器通過有源整流和負載斷開 FET 控制支持反向電池保護，采用背對背 FET 拓撲以在系統(tǒng)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 中的反向電池保護

借助可調(diào)過壓保護功能，您可以使用 50V 額定下游濾波電容器（而不是 80 至 100V 額定電容器）和 40V 額定 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（而不是 65V 額定轉(zhuǎn)換器）用于基于 24V 汽車電池輸入的系統(tǒng)設(shè)計。

LM74720-Q1 和 LM74721-Q1 提供快速反向 (0.45 μs) 和正向比較器 (1.9 μs)，以及強大的 30-mA 升壓穩(wěn)壓器，以支持和實現(xiàn)汽車交流疊加測試期間高達 100-千赫頻率。LM74722-Q1 的整流速度比 LM74720-Q1 和 LM74721-Q1 器件快兩倍，正向比較器響應(yīng)為 0.8 μs，可實現(xiàn)高達 200 KHz 的有源整流頻率。LM74721-Q1 具有集成的漏源電壓 (VDS) 鉗位，可實現(xiàn)無瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 的反向電池保護設(shè)計，從而形成更密集的系統(tǒng)解決方案。

結(jié)論

LM74720-Q1、LM74721-Q1 和 LM74722-Q1 低 I Q始終導(dǎo)通的理想二極管控制器使您能夠設(shè)計汽車電池反向保護系統(tǒng)，而無需外部使能控制。憑借低IQ、背靠背 FET 驅(qū)動能力和過壓保護，這些理想的二極管控制器使設(shè)計能夠使用具有較低額定電壓的電容器等下游組件，并減小空間受限 ECU 的印刷電路板尺寸.