在車輛的使用壽命期間，可能需要斷開其電池進行維護工作或在出現故障時更換電池。在重新連接期間，可能會顛倒電池連接的極性，這可能會導致潛在的短路和連接到電池的負載出現其他問題。不幸的是，不同尺寸的電池端子的機械設計或使用突出的電纜、連接器和端子顏色編碼并不能完全避免這個問題。因此，某種形式的電子阻斷或反極性電壓保護是必要的，不僅是為了保護電池本身，也是為了保護現代車輛所依賴的越來越多的電子控制單元 （ECU）。

本文研究了可用于電池反向保護的各種方法，并分析了每種方法的優缺點。特別是超級勢壘整流器 （SBR ? ），它解決了各種基于 MOSFET 的解決方案的缺點，甚至在效率和耐用性方面優于簡單的肖特基二極管。

潛在保護電路：

保護 ECU 的流行方法包括使用阻塞二極管，或者為了避免常規整流二極管的低效率，使用 MOSFET 作為理想二極管。其他解決方案可能會使用專門設計的 IC。最終，所選擇的解決方案必須滿足最終應用特定環境所需的性能，同時考慮組件數量/復雜性、成本、能源效率等因素，并且可能最重要的是，它是否能夠充分承受故障條件和任何相關的瞬態。 后者通常使用 ISO7637-2 定義的脈沖進行評估，該脈沖測試安裝在車輛中的設備對傳導電瞬變的兼容性，如下所述。

阻塞二極管是防止電池反向連接的最簡單方法。插入與 ECU 負載串聯的整流二極管可確保電流僅在電池正確連接時才能流動。由于不需要控制信號，因此電路復雜性和組件數都很低。另一方面，由于二極管的正向電壓 VF，在 ECU 通電期間，二極管一直在消耗能量，這可能會在大功率應用中造成重大損失。

使用肖特基二極管等低 VF 器件代替標準整流器可以減輕與標準整流器相關的損耗。然而，肖特基二極管的反向泄漏特性特別依賴于溫度，如果在高溫條件下施加高反向功率，則會導致能量損失增加，并使器件容易發生熱失控。

在 ECU 的高端電源中插入一個 MOSFET 并連接柵極，以便僅在電池極性正確時打開設備，這是一種替代解決方案。由于 MOSFET 導通電阻 （RDS（ON）） 通常只有幾毫歐，因此與二極管 VF 引起的損耗相比，I2R 功率損耗較低。此外，反向阻斷性能比肖特基二極管更強大。可以使用 N 溝道或 P 溝道 MOSFET，前提是器件的漏源體二極管的方向可以將電流以正確的方向傳導到 ECU 中。

N 溝道或 P 溝道 MOSFET 均可用于高端電池反向保護。N 通道器件憑借其低 RDS（ON） 提供最低功耗拓撲。然而，開啟 MOSFET 需要一個大于電池電壓的柵極電壓。這需要如圖 1 所示的電荷泵，這會增加電路復雜性和組件成本，并且還會帶來 EMI 挑戰。同等尺寸的 P 溝道 MOSFET 將具有更高的 RDS（ON） 并因此具有更高的功率損耗，但可以使用包含齊納二極管和電阻器的更簡單的驅動電路來實現。

雖然在低側電路中插入 N 溝道 MOSFET 可以消除對電荷泵的需求，但也會引入敏感汽車系統無法接受的接地偏移。

圖 1a。提供 MOSFET 柵極電壓所需的電荷泵增加了復雜性，并可能引入 EMI 問題。

圖 1b：用于電池反向保護裝置的 P 溝道 MOSFET 需要更少的組件，但會產生更高的功率損耗

超級勢壘整流器是 Diodes Incorporated 的專有整流器技術，將傳統二極管的簡單性和穩健性與肖特基二極管的低正向電壓相結合，為應對電池反向保護挑戰提供了卓越的性能解決方案。圖 2 顯示了如何將 SBR 插入到 ECU 的高端電源中，其方式與傳統二極管大致相同。

圖 2. SBR 的連接方式與二極管或 MOSFET 相同，無需電荷泵電路。

超級勢壘整流器使用 MOS 通道為多數載流子創建低勢壘。與典型的肖特基器件不同，這導致了低 VF 和高可靠性的結合。同時，SBR 具有較低的反向泄漏，即使在高溫下也保持穩定，從而最大限度地減少能量損失并避免與肖特基二極管相關的熱失控風險。此外，沒有肖特基結也確保了更高的浪涌容限。此外，SBR 避免了 N 溝道 MOSFET 所需的電荷泵，這意味著沒有 EMI 問題。

盡管設計用于防止由于電池反向連接引起的電流流動，但保護裝置本身可能會暴露于潛在的破壞性瞬變。雖然多種類型的開關瞬變可以產生持續時間短的脈沖，但最危險的高能脈沖是。

ISO 脈沖測試：

任何旨在保護車輛電池免受反向連接影響的解決方案還需要足夠強大，以承受開關瞬變，例如由為電感負載供電時突然斷開電源或負載突降等事件引起的高能脈沖，即當電池在從交流發電機充電時斷開時。

當應用于提供反向電池保護的電路時，使用 ISO7637-2 定義的脈沖進行測試以滿足這些條件中最苛刻的條件：

脈沖 1 表示在為電感負載供電時電源斷開的情況，其中整流器受到高負電壓脈沖的影響。ISO 定義的脈沖條件如圖 3 所示。

圖 3. ISO 測試脈沖 1 模擬由電源斷開引起的嚴重負脈沖。

除此脈沖外，脈沖 3a 還使器件承受高負電壓，但此脈沖的持續時間非常短（0.1μs），此脈沖代表開關瞬態。

這些負瞬態電壓使保護裝置暫時處于雪崩狀態。雪崩條件及其對半導體結的影響的詳細描述超出了本文的范圍。然而，簡單來說，當一個PN結受到雪崩條件時，該結被擊穿并允許大量的反向電流流過它。如果設備不能處理所涉及的電流和能量，雪崩可能會造成不可逆轉的損壞。在汽車電池反向保護應用中，這些雪崩條件的發生是由于存儲在感應負載（如繼電器）中的磁能和任何寄生電感，使其成為能量受限事件。因此，如果該設備具有足夠的雪崩等級，則它可以在這些情況下生存。

必須選擇具有明確定義和保證雪崩規格的保護器件，例如反向保護 SBR，其特性如圖 4 所示。根據圖 3 中給出的脈沖波形和條件，脈沖中涉及的峰值雪崩功率1個測試可以計算為：

P avalanche_peak = V avalanche * I avalanche_peak

在哪里：

V雪崩= US = 100V

和：

I avalanche_peak = V雪崩/R i = 100V/10Ω = 10A

因此：

P avalanche_peak = 100V * 10A = 1000W

然而，與脈沖 1 產生的能量有關的數字是脈沖持續時間內的平均功率，由下式給出：

P avalanche_average = 0.5 * V avalanche * I avalanche_peak = 0.5 * 100V * 10A = 500W

因此，由于 ISO7637-2 中規定的 Pulse 1 寬度為 2ms，從圖 4 可以看出，該 SBR 器件的雪崩性能超過了 ISO7637-2 的要求。由于另一個負脈沖脈沖 3A 是持續時間僅為 100ns 的瞬態，因此符合脈沖 1 的設備也將通過脈沖 3A 測試。

圖 4：脈沖持續時間與最大雪崩功率（對于 Diodes SBR30A60CTBQ設備）

圖 5 比較了 10A 45V SBR 與兩個競爭性肖特基二極管的雪崩能力。可以看出，SBR 的雪崩能力比肖特基技術好 3 到 10 倍。因此，SBR 更適合發生反向雪崩條件的反向電池應用。通過精心設計，MOSFET 解決方案也可以實現類似于 SBR 的雪崩耐用性。

圖 5. 與肖特基二極管相比，SBR 出色的雪崩耐用性允許使用額定值較低的器件來提高效率。

脈沖 5a 表示當交流發電機正在充電時放電電池斷開時發生的負載突降情況。這是設備可以看到的最嚴重的正脈沖。ISO7637 Pulse 5a 定義如圖 6 所示。

圖 6. 了解器件的浪涌電流能力有助于確定 ISO 7637 脈沖 5a 的生存能力。

對 Pulse 5a 的考慮得出的結論是，在選擇反向電池阻斷設備時，有關設備正向浪涌電流能力的信息是必不可少的。Diodes Incorporated 的 ACQ101 合格 SBR 的數據表包含此信息。

結論：

在為汽車 ECU 實施所需的電池反極性保護時，有多種方法是可行的。設計人員需要考慮 ECU 功耗和成本等因素，以實現效率、電路復雜性、電磁兼容性和耐用性的最佳組合。超級勢壘整流器專為汽車等大功率、高溫應用而開發，為肖特基二極管提供了價格具有競爭力的替代方案，并且可以在低成本、低復雜性和不受 EMI 影響的情況下提供更高的效率和可靠性問題，是優先事項。