1 應(yīng)用簡報

引言

在由內(nèi)燃機提供動力的系統(tǒng)中，交流發(fā)電機通過在車輛正常運行期間為電池充電來為汽車電氣系統(tǒng)供電。根據(jù)工作條件，在車輛的整個使用壽命期間，交流發(fā)電機輸出電壓整流后可能包含交流電壓紋波（疊加在電池電壓上）。由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速、勵磁電流開/關(guān)時穩(wěn)壓器占空比以及電氣負(fù)載的變化，直流電池線路上疊加了交流電壓紋波。在全電動系統(tǒng)或半混合動力系統(tǒng)中，整個電氣負(fù)載通過直流/直流轉(zhuǎn)換器進行饋電。在沒有電源線路扼流圈的情況下，直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓會注入疊加在直流輸出電壓上的交流電壓紋波。

反向電池保護電路通常是汽車 ECU 輸入端上的第一個子系統(tǒng)。因此，通過根據(jù)不同的汽車測試標(biāo)準(zhǔn)對反向電池保護電路進行測試，驗證了反向電池保護電路在電池電源線路上疊加交流電壓紋波時是否能夠不間斷且穩(wěn)定地運行。

交流疊加測試的汽車標(biāo)準(zhǔn)

各項汽車測試標(biāo)準(zhǔn)（如 ISO 16750-2、LV124 和其他 OEM 特定標(biāo)準(zhǔn)）中都規(guī)定了交流疊加測試，旨在驗證各種電子模塊的穩(wěn)定運行。ISO 16750-2 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在 13.5V 直流電池電壓下實現(xiàn) 2V 峰峰值交流紋波，掃頻范圍為 50Hz 至 25kHz，測試波形如圖 1-1 所示。其他制造商特定要求（如 VW 80000、TS-0000425-05）可能會有所不同，頻率可高達 200kHz。峰峰值紋波振幅在 1V 峰峰值到 6V 峰峰值之間變化，具體取決于模塊相對于交流發(fā)電機、直流/直流轉(zhuǎn)換器和電池的位置。

為什么需要對交流電壓紋波進行整流

傳統(tǒng)的輸入保護電路使用肖特基二極管或基于 P 溝道 MOSFET 的電路來提供反向電池保護。肖特基二極管能夠有效地對疊加在電池電壓上的交流紋波進行整流。肖特基二極管面臨的挑戰(zhàn)是其兩端存在高正向壓降，會導(dǎo)致高功率損耗。肖特基二極管僅適用于極低功耗設(shè)計。

此外，圖 1-2 中顯示的使用 P 溝道 MOSFET 的反向電池保護電路不會阻止反向電流，因此不會對交流紋波電壓進行整流。由于交流紋波未被整流，輸出電壓與輸入電壓保持一致，并且交流紋波電流擺幅為負(fù)，從而導(dǎo)致峰峰值紋波電流和 RMS 紋波電流增大。

RMS 紋波電流流經(jīng)輸出電解電容器，導(dǎo)致電容器中功率損耗。輸出電容器中的功率損耗隨著紋波電流大小的增加而增加。如果不加以限制，該紋波電流會增加老化效應(yīng)并降低整體可靠性。對于傳感器融合等應(yīng)用（可能具有幾 mF 級的電容來解決這些問題），有必要對疊加在直流電壓上的交流電壓紋波進行整流。輸入端紋波的整流也有助于提高電源的 PSRR，這對音頻放大器子系統(tǒng)有利。

使用 LM7472x-Q1 系列理想二極管控制器進行有源整流

LM7472x-Q1 系列理想二極管控制器采用雙柵極驅(qū)動拓?fù)鋪砜刂苾蓚€外部背對背 N 溝道 MOSFET?？刂破渲幸粋€ MOSFET 以模擬理想二極管，并控制另一個 MOSFET 以實現(xiàn)電源路徑開/關(guān)控制、浪涌電流限制和過壓保護。

理想二極管控制器 LM7472x-Q1 系列器件具有極低的正向壓降 (13mV)，可在正常運行期間更大限度地降低 N 溝道 MOSFET 中的功率損耗。LM7472x-Q1 集成了一個升壓轉(zhuǎn)換器，可為理想二極管和負(fù)載斷開級提供驅(qū)動外部 N 溝道 MOSFET 所需的電壓。

LM7472x-Q1 通過快速關(guān)斷 MOSFET Q1（以切斷反向電流）以及在正向?qū)ㄆ陂g快速導(dǎo)通 MOSFET Q1，對交流疊加電壓進行整流。圖 1-3 所示為一個簡化原理圖，顯示了用于有源整流的理想二極管。有關(guān)完整的應(yīng)用電路，請參閱 LM74720-Q1 和 LM74722-Q1 數(shù)據(jù)表應(yīng)用部分。

集成的升壓穩(wěn)壓器具有 30mA 的高負(fù)載能力。LM7472x-Q1 系列器件的高峰值柵極驅(qū)動電流以及比較器的短暫導(dǎo)通和關(guān)斷延遲時間，可實現(xiàn)理想二極管 N 溝道 MOSFET 的快速導(dǎo)通和關(guān)斷。LM74720-Q1 和 LM74721-Q1 可在 1.9μs（典型值）內(nèi)驅(qū)動 MOSFET 的柵源電壓。LM74722-Q1 的更高峰值柵極驅(qū)動強度可以更快地導(dǎo)通柵極。LM74722-Q1 可在 0.8μs（典型值）內(nèi)驅(qū)動 MOSFET 的柵源電壓。LM7472x-Q1 還提供非?？斓年P(guān)斷延遲。由于這些開關(guān)時間非常短，可以使用 LM74720-Q1 和 LM74721-Q1 對 100kHz 交流電壓紋波進行整流，而 LM74720-Q1 可對 200kHz 交流紋波進行整流。

圖 1-4 中捕捉了 LM74722-Q1 對 2V 峰峰值、200kHz 交流電壓紋波的有源整流。在正周期 MOSFET 導(dǎo)通期間，輸出電容器充電，并且輸出與輸入保持一致，直到流經(jīng) MOSFET 的電流反向。一旦檢測到反向電流，LM7472x-Q1 就會在 0.45μs 內(nèi)關(guān)斷 MOSFET，從而完全阻斷反向電流。在負(fù)周期內(nèi)，輸出電容器以恒定速率放電，該速率由負(fù)載電流和輸出電容量決定。

快速反向電流阻斷功能可更大限度地減小峰值反向電流，并在負(fù)周期內(nèi)完全阻斷反向電流。因此，交流紋波電流 RMS 值減少一半，進而將輸出電解電容器 ESR 中的功率損耗降低一半。

極低的正向壓降和更低的 RMS 紋波電流也降低了 MOSFET 中的功率損耗。