關(guān)鍵詞：浪涌；快充技術(shù)；OTP MOSFET中圖分類號(hào)：TN40 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著快充技術(shù)的發(fā)展，高電壓、大電流成為快充技術(shù)的主要特征。在日常應(yīng)用中存在一些不規(guī)范的操作，如使用非正規(guī)廠商的充電器，或者在電力不穩(wěn)的地區(qū)使用充電設(shè)備，這可能導(dǎo)致電壓總線（voltage bus，Vbus）端口的輸出電壓異常，如果這個(gè)異常電壓高于設(shè)備內(nèi)部芯片的耐受值，就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞。其中瞬態(tài)電壓抑制器（transient voltagesuppressor，TVS）作為Vbus 端口的初級(jí)防護(hù)器件，負(fù)責(zé)吸收主要的浪涌電流，將電壓鉗位在較低值。過(guò)壓保護(hù)（over voltage protection，OVP）器串聯(lián)于Vbus 上，作為次級(jí)防護(hù)單元保護(hù)后續(xù)敏感元件[1]。

除了需要防護(hù)浪涌事件以外，設(shè)備在充電時(shí)，帶有水分的灰塵會(huì)在暴露的充電端口處導(dǎo)致短路。特別是在高電流充電條件下，該故障將導(dǎo)致充電端口的溫度上升，甚至可能引發(fā)火災(zāi)。然而這種接觸故障無(wú)法在設(shè)備側(cè)與充電器側(cè)被檢測(cè)到，也不能被任何一側(cè)保護(hù)。圖1 為充電端口過(guò)溫保護(hù)方案電路。采用的解決方案是使用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（negative temperature coefficient，NTC）熱傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)充電端口的溫度，該傳感器緊密安裝在充電端口上。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，微控制單元（microcontrollerunit，MCU） 將命令過(guò)溫防護(hù)（over temperatureprotection，OTP）金屬—氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）導(dǎo)通，從而將Vbus 短接到地。當(dāng)短路電流足夠大時(shí)，適配器將采取過(guò)流防護(hù)操作，以關(guān)閉充電電流，使充電端口受到保護(hù)。該OTPMOSFET 需要滿足30 V 的工作電壓條件，并具有100 ms、8 A 的通流能力、較低的閾值電壓（滿足1.8 V 的驅(qū)動(dòng)要求），以及較小的導(dǎo)通電阻。

為避免設(shè)備快充領(lǐng)域中發(fā)生浪涌事件和充電端口發(fā)熱燒毀事件等，本文提出了一種快充端口防護(hù)新方案。該方案通過(guò)引入浪涌探測(cè)電路并結(jié)合現(xiàn)有OTP MOSFET，實(shí)現(xiàn)用一顆芯片替代原有的兩套防護(hù)方案，極大地優(yōu)化了快充端口防護(hù)電路的面積，提升了快充端口電路的集成度。

1 保護(hù)電路設(shè)計(jì)及工作原理

平緩鉗位電壓浪涌抑制器主要由觸發(fā)單元、泄放單元組成， 如圖2 所示， 圖中NMOS 為N 型溝通MOSFET。當(dāng)觸發(fā)電路的TVS 被擊穿后會(huì)快速驅(qū)動(dòng)MOSFET 柵極進(jìn)入完全開(kāi)啟狀態(tài)。此時(shí)的MOSFET 導(dǎo)通電阻R 減小到可忽略的大小，V 具有與觸發(fā)電路擊穿電壓相同的近似值。因此，系統(tǒng)Vc 在額定峰值脈沖電流范圍內(nèi)幾乎是恒定的。

如圖3 所示，隨著浪涌電流的增加，分立器件合封方案的浪涌電壓穩(wěn)定器可實(shí)現(xiàn)60 A 以上的浪涌電流泄放，且隨著浪涌電流的增加，Vc 的增加不超過(guò)3 V。

1.2 快充智能防護(hù)電路設(shè)計(jì)

為解決現(xiàn)有快充領(lǐng)域浪涌防護(hù)與防燒問(wèn)題，本文提出了一種快充端口智能防護(hù)方案。快充智能防護(hù)電路示意圖如圖4 所示，圖中PMIC 為電源管理芯片。在平緩鉗位電壓浪涌抑制器的基礎(chǔ)上，采用雙向TVS 和電阻組成自適應(yīng)模塊，用于浪涌檢測(cè)以及OTP MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)，利用OTP MOSFET作為浪涌泄放單元。

如圖4 所示，TVS1 輸入端與Vbus 相連，電阻的輸出端與MCU 的通用輸入/ 輸出（general-purposeinput/output，GPIO）端口連接。TVS1 分別與電阻的中間端、OTP MOSFET 的柵極端連接。另外，在OTP MOSFET 的柵源之間增加TVS2 器件用于柵壓保護(hù)。其中，TVS1 需要選擇雙向TVS。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)GPIO 輸出信號(hào)大于OTP MOSFET 的閾值電壓時(shí)，Vbus 線上的電壓會(huì)被拉低。單向TVS 會(huì)造成GPIO 到Vbus 的PN 結(jié)正偏，從而限制OTPMOSFET 的柵極電壓。雙向TVS1 可有效抑制這種現(xiàn)象。另外，除了防止OTP MOSFET 的開(kāi)啟受影響外，還可以利用雙向TVS PN 結(jié)的正向與反向存在相反的溫度系數(shù)，降低高溫對(duì)器件鉗位能力的影響。

1.3 快充智能防護(hù)電路工作原理

當(dāng)浪涌事件發(fā)生時(shí)，TVS1 率先被擊穿，小電流流經(jīng)串聯(lián)的電阻R 與MCU 的GPIO 端口到地，從而開(kāi)啟OTP MOSFET。通過(guò)MOSFET 泄放后續(xù)的大浪涌電流，保持平緩鉗位電壓，對(duì)后續(xù)敏感集成電路（integrated circuit，IC）起到保護(hù)作用。另外，在充電端口出現(xiàn)異常時(shí)，OTP MOSFET 還具有防燒的功能。當(dāng)充電端口檢測(cè)到溫度過(guò)高時(shí)，NTC熱傳感器檢測(cè)到溫度的變化并且由高阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，然后MCU 將驅(qū)動(dòng)OTP MOSFET 導(dǎo)通，以將Vbus 短接到地，開(kāi)啟防燒功能。

2 電路仿真與試驗(yàn)

2.1 防燒功能驗(yàn)證

對(duì)快充智能防護(hù)電路示意圖（圖4）進(jìn)行模擬，GPIO 負(fù)責(zé)控制OTP MOSFET 柵極開(kāi)啟功能。如圖5所示，由于雙向TVS 的存在，GPIO 與Vbus 端口存在一個(gè)反向的電壓，因此不會(huì)對(duì)OTP MOSFET 的開(kāi)啟造成影響。測(cè)試結(jié)果顯示GPIO 的信號(hào)可以將OTP MOSFET 的閾值電壓增加至最大值（3.8 V），這與原MOSFET 的防燒能力一樣。因此引入雙向TVS 后，不會(huì)造成MOSFET 原有的防燒功能減弱。

2.2 電阻R 對(duì)電路靜電釋放的影響

由于在快充智能防護(hù)電路中 TVS 與OTPMOSFET 和電阻R 組成了RC 網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)RC 耦合可以開(kāi)啟OTP MOSFET。RC 網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)為τ，其與電阻R 和電容C 的關(guān)系為：

2.3 單雙向TVS 對(duì)防浪涌功能的影響

雙向TVS 8/20 μs 浪涌鉗位電壓如圖6 所示。結(jié)果顯示，與單向TVS 相比，雙向TVS 擁有更好的鉗位特性。

雙向TVS 擊穿電壓實(shí)際是在三極管基極開(kāi)路狀態(tài)下，集電極與發(fā)射極的反向擊穿電壓（BVceo），其優(yōu)勢(shì)是擊穿后會(huì)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。即EB 結(jié)正偏時(shí)會(huì)向基區(qū)注入少子，同時(shí)也會(huì)在基區(qū)中積累相同數(shù)量、相同濃度梯度的多子；當(dāng)注入的少子濃度接近摻雜濃度時(shí)，額外積累的多子濃度也將與摻雜濃度相當(dāng)，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)類似于增加基區(qū)摻雜濃度，從而使基區(qū)的有效電導(dǎo)率大大增加。這與單向TVS 擊穿不同，單向TVS 擊穿是TVS 內(nèi)部存在一個(gè)固定的內(nèi)阻，隨著電流的增加，TVS 的Vc 將會(huì)逐漸增大。因此選擇雙向TVS 具有更好的鉗位優(yōu)勢(shì)。

雙向TVS 除了具有良好的Vc 優(yōu)勢(shì)以外，還可以使防護(hù)系統(tǒng)在-40 ～ 125℃ 的工作環(huán)境下具有穩(wěn)定的性能。TVS 的反向擊穿電壓具有正溫度系數(shù)，即隨著溫度的增加，擊穿電壓Vbr 也將增大。因此單向TVS 在高溫環(huán)境下的Vc 會(huì)更高，這對(duì)于保護(hù)器件是非常不利的。而雙向TVS 由于采用了PNP 型的器件結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于將正向和反向的PN 結(jié)串聯(lián)工作。正向工作的TVS 擁有負(fù)的溫度系數(shù)，即TVS 的正向電壓Vf 會(huì)隨著溫度的增加而減小。由于雙向TVS 同時(shí)存在正向和反向PN 結(jié)，所以溫度對(duì)電路的影響會(huì)被正向和反向PN 結(jié)的特性抵消，從而維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文采用雙向TVS 和電阻組成自適應(yīng)模塊用于浪涌檢測(cè)以及OTP MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)。利用OTP MOSFET 作為浪涌泄放單元，實(shí)現(xiàn)了防燒保護(hù)與防浪涌保護(hù)的結(jié)合。通過(guò)大量測(cè)試與仿真驗(yàn)證，快充端口智能防護(hù)方案可用于22 V 擋位Vbus 端口防護(hù)，V 為30 V，I 最大可達(dá)60 A。且隨著浪涌電流的增加，V 的增加不超過(guò)3 V。雙向TVS 的引入可保證電路在用于防燒保護(hù)時(shí)的功能不受影響。