Автомобильные электронные схемы должны быть защищены от входного отрицательного напряжения. Такая ситуация может возникнуть во время обслуживания автомобиля при его запуске, когда аккумуляторная батарея подключена неправильно. Обратная полярность напряжения может вызвать прохождение отрицательного тока через электронные схемы, в этом случае и короткого промежутка времени достаточно, чтобы вызвать необратимое повреждение датчиков, контроллеров и других чувствительных кремниевых компонентов. Помня об этом, разработчики оборудования должны принять соответствующие меры, чтобы сохранить автомобильные электронные блоки управления (ЭБУ) невредимыми в случае возникновения напряжения обратной полярности. В этом документе предложены три различные топологии схем защиты от подачи напряжения обратной полярности.

1. Диод в цепи питания
Самый простой способ заблокировать прохождение отрицательного тока — это установить диод, включенный последовательно с батареей. Пока разность напряжений между анодом и катодом диода положительна и превышает указанное прямое напряжение (рис. 1), диод смещен в прямом направлении, и ток течет в цепь нагрузки. Как только полюса батареи меняются местами (рис. 2), диод смещается в обратном направлении, и прохождение отрицательного тока блокируется.
При выборе диода для защиты от обратной полярности разработчики должны учитывать несколько критериев:
VF: прямое падение напряжения на диоде при прямом смещении. Типичные значения для стандартных выпрямительных диодов находятся в диапазоне 0,7−1,1 В. Чтобы уменьшить рассеиваемую мощность (VF∙I) во время работы, разработчики могут использовать диод Шоттки, который предлагает VF ниже 0,5 В. Кроме того, низкий VF обеспечит больший запас мощности для защищаемой цепи при холодном запуске, когда напряжение на разъемах питания ЭБУ может упасть до 4 В или ниже.
IFAV: максимальный средний прямой ток диода — это максимальный ток, который диод может выдержать длительное время в состоянии прямого смещения. IFAV должен быть выше, чем максимальный ток нагрузки защищаемой цепи. Из соображений терморегулирования и увеличения срока службы необходимо учитывать достаточный запас прочности.
VDC: Напряжение блокировки постоянного тока — это напряжение, для блокировки которого предназначен диод. VDC будет подаваться от катода диода к аноду во время возникновения напряжения обратной полярности. По этой причине VDC должно быть выше, чем максимальное напряжение батареи, ожидаемое при обратной полярности.
Корпус диода: современные автомобильные блоки управления стремятся производить с компонентами для поверхностного монтажа (SMD), насколько это возможно. Diotec предлагает широкий спектр стандартных диодов и диодов Шоттки в корпусах SMD. При выборе корпуса конструкторы должны учитывать размер платы и тепловые характеристики корпуса. Параметры RthA (тепловое сопротивление перехода кристалл-окружающая среда) и RthT (тепловое сопротивление перехода кристалл-корпус компонента) в техническом описании (datasheets) помогут рассчитать повышение температуры диода на основе прямого падения напряжения и тока нагрузки.
Tj: температура кристалла компонента. Сумма постоянно изменяющихся температуры окружающей среды и температуры, возникающей при рассеивании энергии на диоде, всегда должна быть ниже Tj. Приведенная ниже формула помогает рассчитать ожидаемое значение Tj для заданной температуры окружающей среды TA. Качественное соединение корпуса диода с металлической поверхностью (радиатором) повысит эффективность отвода тепловой энергии от корпуса диода.

2. P-FET в цепи питания
Для приложений, требующих больших токов или очень высокого КПД, разработчики могут уменьшить падение напряжения в цепи питания, используя P-MOSFET с низким RDS (on). Подключение стока транзистора к положительной клемме батареи и затвора к земле обеспечит отрицательное смещение VGS и таким образом переведёт P-MOSFET в полностью открытое состояние (рис. 3). Канал P-FET шунтирует паразитный диод, проводя весь ток. При изменении напряжения батареи на противоположное VGS будет выше, чем напряжение истока VS, что приведет к отключению P-FET. Паразитный диод имеет обратное смещение и блокируется (рис. 4). Таким образом предотвращается протекание отрицательного тока.

Для защиты схемы от обратной полярности с помощью P-FET разработчики должны учитывать следующие параметры:
RDS (on): Drain-Source On-Resistance — это сопротивление сток-исток открытого канала FET (во включенном состоянии). Чтобы минимизировать падение напряжения на FET и уменьшить потери мощности во включенном состоянии, разработчикам нужны компоненты с низким RDS (on). Поскольку RDS (on) зависит от площади кремниевого кристалла, должны быть сопоставлены размеры и стоимость FET.
VDSS: Максимальное напряжение сток-исток — это значение, которое устройство должно выдерживать при подаче напряжения между стоком и источником. Его абсолютное значение в datasheets FET должно быть больше, чем максимальное ожидаемое напряжение при условии обратной полярности.
ID: Максимальный ток стока должен быть больше максимального тока нагрузки. Зная значение тока нагрузки, разработчики могут рассчитать потери проводимости FET, используя формулу:

3. N-FET в цепи заземления
Более широкий выбор N-канальных MOSFET по более низкой цене, чем сопоставимые FET с P-каналом. По этим причинам инженеры могут выбрать это решение. Из-за внутренней структуры N-FET для включения требуется напряжение затвора VG выше, чем VDS. При размещении FET на линии заземления сток должен быть подключен к отрицательному, а затвор — к положительному выводу батареи, обеспечивая протекание тока через нагрузку (рис. 5). Как только VDS превысит VG в условиях обратной полярности, FET выключится, размыкая цепь (рис. 6). Главный недостаток в этой конфигурации — дополнительное сопротивление в линии земли (GND), добавленный RDS (on) N-FET, который будет изменять значение GND для всех других компонентов схемы. Те же критерии выбора, что и для P-FET, применяются в случае N-FET.

Таким образом, рассмотренные рекомендации позволят инженерам-разработчикам гибко подойти к решению задачи защиты электронных цепей от подачи напряжения обратной полярности.

Литература.
1. Application Note: "Automotive Reverse Polarity Protection".