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汽车系统中的输入反向电压保护

汽车电子作者：Eduard Santa,Diodes 时间：2025-12-27来源：EEPW

在现代汽车中，敏感的电子模块无处不在，虽然电路保护措施已经很完善，但如果车辆电池（通常是12V或24V）以反极性连接，仍然容易受到损坏。这种风险很大，因为车主很容易接触并错误重新安装电池，导致电压反向极性情况出现。为了保护这些昂贵的电子模块，输入反向电压保护（RVP）是一个重要的设计考虑因素。

RVP器件的主要目的是在正常工作条件下允许电流流动（从正电源到负电源），同时在电源极性反转时阻断电流流动（见图1）。此外，RVP解决方案还需考虑负载电压可能超过电源电压的情形，例如电机产生的反电动势（EMF），并决定是否允许或阻止反向电流回流到电源。本文将探讨常见的RVP方法，特别强调MOSFET选择在成本效益和性能方面的细致益处。

图1 电压极性与电流流动

1 输入反向电压保护的常见方法

所有RVP保护装置必须具备图1中A和B电路所示的行为。实现这种行为的RVP 最常见的两种方法是使用简单的阻断二极管或带有外部控制的MOSFET。所有实施RVP的方法都具有独特的工程优势和劣势。

2 阻断二极管方法

最简单的RVP 解决方案是将单个阻断二极管串联于负载（见图2）。该配置允许电流仅以正向偏压模式流动，在所有条件下有效阻断反向偏压电流，包括图1中C2 电路所示的条件。这种方法是成本最低的解决方案，尤其适用于低电流应用，并且需要的PCB 占用面积最小。

图2 使用二极管的输入反向电压保护

在反极性时，MOSFET 保持关闭状态，其本体二极管阻断电流。当负载电压超过电源电压时，该电路允许反向电流流回电源（见图 1，电路 C1），这取决于应用需求。该方法的主要优点是相比二极管的功耗更低，电路设计更简单，且尺寸设计简单，适用于不同负载电流。不过，它比普通二极管更昂贵。

（2）带 N 通道 MOSFET 电路的理想二极管控制器：理想二极管控制器，如 Diodes 的 AP74700AQ，主动管理外部 N 通道 MOSFET 以提供高边 RVP（见图 4）。理想二极管使用内部电荷泵驱动 N 通道 MOSFET 栅极。

图4 高侧输入反向电压保护，采用N通道MOSFET和理想二极管控制器

在正常运行时，它可以在低负载电流下调节 MOSFET 两端的电压差至 20mV，或驱动 MOSFET 完全导通。在更高的电流时电压降受R_DS(ON)限制。关键是，如果检测到反向电压（大于 10mV），控制器会关闭 MOSFET，在反极性条件下以及负载电压超过电源电压时阻断反向电流（图 1，电路 B 和 C2）。

对于高电流（高功率）应用，该方案在上述方法中功耗最低，调节 MOSFET 增益，快速关闭 MOSFET，并阻断反向电流（图 1，电路 C2）。然而，假设 N 通道 MOSFET 处于 20 mV 的调节区。在这种情况下，它的功率耗散可能高于完全通电且自身电压降为 10mV 的 P 通道 MOSFET。

N 通道 MOSFET 通常比具有相近 R_DS（ON）的 P 通道 MOSFET 更小且更便宜，从而降低了设计成本。以 12 V、10 A 的信息娱乐系统为例，P 通道 MOSFET 如 Diodes 的 DMP4013LFGQ，仅耗散为 1.3 W（效率 98.92%）。相比之下，N 通道 MOSFET，即 DMTH43M8LFGQ，同样来自二极管，耗散仅 0.3 瓦（效率 99.75%），是最高效的解决方案。

在高电流下，理想的二极管控制器方案比适合该电流的二极管便宜，但在低电流时比二极管更贵。它还能阻断反向电流（C1），这对于需要电流回流到电源的应用来说可能不理想。由于控制器和外部元件的限制，总解决方案占地面积也可能超过单个二极管。

5 MOSFET 的性价比与性能选择

选择合适的 MOSFET 对于优化 RVP 解决方案的成本和性能至关重要，尤其是在使用理想二极管控制器时（见图 5）。