用于48V电动汽车冗余电源的级联理想二极管与瞬态钳位网络方案

在上一期中，我们探索了一种在高速RF ADC 前端中进行窄带信号匹配的新方法和流程。

本期我们为您带来《级联理想二极管：解决 48V EV 的电源难题》，介绍了用于48V电动汽车冗余电源的级联理想二极管和瞬态钳位网络的新解决方案，以解决依靠昂贵且难以采购的高压器件在高压故障和恶劣瞬态环境下实现可靠的ORing功能的挑战。

简介

除了传统的12V 网络之外，越来越多地使用48V 电池子系统，导致HEV/EV 电源系统的设计发生重大变化。 48V系统可以提供更多的电力，无需大量布线，并且可以减少线束中的电力损耗，从而延长行驶里程。随着这一变化，车辆配电架构正在从传统的集中式架构向区域式架构转变。在区域架构中，配电、通信和负载驱动根据其在车辆中的位置而不是功能进行分组，如图1 所示。区域架构降低了系统复杂性，并为原始设备制造商(OEM) 提供了更多模块化功能。

图1 现代车辆的区域架构

图2 区域控制模块中的典型配电

图2 显示了使用多个电源为区域控制模块提供冗余电源的典型配电方法。理想二极管（详细信息请参阅白皮书《理想二极管基础》）非常适合需要反向电流阻断和/或反向极性的应用。由于理想二极管提供反向电流保护，因此它们在需要组合多个电源以增加系统冗余的应用中也很有用[2]。然而，市场上现有的理想二极管控制器的绝对最大额定电压仅为72V，并且在支持某些48V系统设计方面存在局限性。

本文讨论了为48V 系统设计ORing 级的挑战，以及级联理想二极管配置如何实现可靠的ORing 解决方案，安全地处理输入电源中断和外部瞬态事件。

挑战一：反向停电时的高压应力

如图2 所示，主配电需要不间断供电。高压电池(VPRIM) 通过DC/DC 转换器降压至48V 电源轨，然后备用48V 辅助电源(VAUX) 在ORed 时提供冗余电源。如果VIN1 上发生反极性故障，DC/DC 转换器输出VIN2 将为整个负载供电，如简化原理图3 所示。但是，这会导致辅助电源路径上的ORing 上产生高压应力。 48V 电源电压最高可达54V，从而在控制器LM74700D-Q1 的阴极到阳极引脚之间产生108V 的大电压差，超过了75V 的绝对最大额定值。该解决方案还需要额定电压至少为120V 的MOSFET，这比60V FET 更昂贵，并且难以从多个供应商处采购。

图3 输入反极性条件下的电压应力

挑战2：符合LV148 负载突降和开关瞬态要求

由于负载关闭和加速器尖端短路，电气系统中可能会出现瞬态过电压。对于48V 系统，当前标准（ISO 21780 和Liefervorschriften [LV] 148）指定了E48-02 瞬态过压曲线，如图4 所示。该曲线显示电压高达70V，持续40ms，一些OEM 甚至达到100ms。被测设备(DUT) 必须能够承受这些功能状态A 事件，并且DUT 必须执行所有功能。请注意，对于如此高的功率和更宽的瞬态，使用TVS 或齐纳二极管进行钳位是不切实际的。简而言之，直接连接到48V 电压轨的集成电路必须能够在所有条件下承受70V 的电压。然而，如果考虑开关瞬变或元件裕度，该器件应支持远高于70V 的电压。现有的理想二极管控制器从阳极到地的绝对最大额定电压为72V，为系统设计人员留下的余量较小。

图4 E48-02 LV 148瞬态过电压曲线

基于单控制器的解决方案

图5 显示了使用单个LM74700D-Q1 的解决方案，但使用齐纳钳位电路来减少控制器阴极与阳极引脚之间108V 的大电压差。齐纳二极管DZ 将阴极到阳极电压限制在其绝对最大额定值(75V) 以下，而电阻器RZ 适当地偏置DZ。然而，该解决方案仍然需要额定电压至少为120V 的MOSFET，这比60V FET 更昂贵，并且难以从多个供应商处采购。此外，在正常工作期间，电阻器RZ 会在阴极路径中引起额外的压降，从而影响反向电流保护阈值。

图5 使用单个高压MOSFET 的解决方案

推荐的级联理想二极管配置

所提出的解决方案使用两个理想二极管控制器，其中MOSFET Q1 和Q2 串联连接，如图6 所示。每个控制器的钳位电路不仅确保阴极到阳极的电压低于75V，而且还充当平衡网络，确保在故障事件期间Q1 和Q2 之间共享相等的电压。让我们考虑一下电路在两种常见故障情况下如何工作

情况1：启动期间，当输出（VOUT）电源电压为54V且输入VIN为0V时，中点电压VMID保持为0V。由于发生VOUT VMID 且Q2 阻断54V 的反向电流阻断情况，第二个LM74700D-Q1 控制器使GATE2 保持关闭。在这种情况下，用户可以在VIN 处施加54V 的反向电压，并且第一个LM74700D-Q1 控制器将保持GATE1 关闭，因为阳极为0V 并且Q1 阻断54V 的反向极性情况。

情况2：在这种情况下，VIN 以故障状态（例如-54V）启动，然后系统加电时VOUT=54V。由于第一个LM74700D-Q1 控制器保持GATE1 关闭以防止VMID 出现反向电压，因此中点电压VMID 保持在0V。同样，第二个LM74700D-Q1 控制器由于反向电流阻断条件而保持GATE2 关闭。 MOSFET Q1 和Q2 都会产生54V 的电压应力。在故障情况下，MOSFET 两端的电压低于60V，因此该解决方案使客户能够灵活地选择额定电压为60V 且可轻松从多个供应商处采购的传统FET。

如图6 所示，该解决方案还在接地路径中包含瞬态钳位网络（DC、Q3、RB 和DB），以处理超过LM74700D-Q1 绝对最大额定值的开关瞬态电压。在正常工作期间，器件地和系统地之间的电位差仅为Q3 的VBE，但一旦VIN 超过二极管DC 的击穿电压(VBR-DC)，晶体管Q3 就会降低其两端的电压并提高器件地电位。这有助于将LM74700D-Q1 的阳极对地电压限制为接近直流击穿电压，从而实现可扩展的瞬态处理解决方案。二极管DB的目的是在反向输入功率条件下阻断反向电流路径。

图6 级联理想二极管配置

元件选择和测试结果

考虑如何选择系统中的关键组件以实现这些效果非常重要。

对于理想二极管MOSFET Q1 和Q2，60V VDS(MAX) 和+/-20V VGS(MAX) 在所有故障条件下都能提供足够的裕度。标称电流下的RDS_ON：(20mV/标称电流) RDSON (50mV/标称电流) 对于保持低反向电流非常重要。例如，在5A 设计中，RDS_ON 范围为4m 至12.5m。

MOSFET栅极阈值电压Vth的最大值为2V。

PNP 晶体管Q3 在齐纳二极管直流激活后将经历最大压降，并且额定电压应大于(VIN-MAX VBR-DC)。它还必须支持LM74700D-Q1 的静态电流（小于1mA）。可以使用BC857-Q 等晶体管。

对于齐纳二极管DZ1 和DZ2：应选择62V 齐纳二极管（例如BZX84J-B62），以便将阴极限制为阳极电压低于75V。对于齐纳二极管DC，当VIN 上发生开关瞬变时，DC 电路(VBR-DC) 的击穿电压决定了从阳极到接地引脚的钳位电压。使用BZX84J-B62 等62V 齐纳二极管可以限制电压并为LM74700D-Q1 提供足够的裕量。阻塞二极管DB的阻塞电压应接近最大输入电源反向电压，因此应选择额定电压至少为60V的二极管，例如NSR0170P2T5G。

电阻器RZ1和RZ2是DZ1和DZ2的偏置电阻器。 1k 至2k 范围内的任何值都足够了。电阻RB是直流偏置电阻，10k至47k范围内的任何值都可以。

图7 和图8 显示了系统启动前后应用反极性输入时MOSFET 上的漏源电压分布。如图所示，MOSFET共享相同的电压，并且每个MOSFET的最大电压小于60V。图9 显示了接地路径瞬态钳位网络的性能，其中IC 接地阳极被钳位至62V，以响应VIN 上发生的70V 负载突降事件。

图7 输入反极性条件下的MOSFET均压

图8 输出热插拔期间MOSFET均压

（车辆识别号=-54V）

图9 针对70V 负载突降事件的建议解决方案响应

结论

虽然48V 系统具有许多优势，但它们也为配电级的ORing 冗余电源带来了一系列新的挑战。所提出的具有接地路径瞬态钳位网络的级联理想二极管配置支持使用额定电压为60V 的传统FET 进行系统设计，并且可以轻松从多个供应商处采购。所提出的方法还为开关瞬变提供了足够的电压裕度，从而在48V 系统中实现可靠的ORing 解决方案。

参考文献

“理想二极管基础知识”德州仪器(TI) 应用报告，文献编号SLVAE57B，2021 年2 月。

“使用理想二极管控制器的汽车应用的冗余电源拓扑”，德州仪器(TI) 模拟设计杂志，文档号SLYT848，2024 年3 月。

Texas Instruments，LM74700D-Q1 汽车低IQ 反向电池保护理想二极管控制器，数据表。