一、為什么要設計防反接電路

電源入口處接線及線束制作一般人為操作，有正極和負極接反的可能性，可能會損壞電源和負載電路；

汽車電子產品電性能測試標準 ISO16750-2的4.7節包含了電壓極性反接測試，汽車電子產品須通過該項測試。

二、防反接電路設計

1.基礎版：二極管

串聯二極管是最簡單的防反接電路，因為電源有電源路徑（即正極）和返回路徑（即負極，GND），那么用二極管實現的防反接電路就既可以串接在電源正極，也可以串接在電源負極，如下圖：

這兩種是實現防反接的最簡單的形式，成本低，但也有明顯的局限性和缺點：

二極管有正向導通壓降，因此，若其串聯在電源路徑上，那么負載電路入口處的電壓會比電源輸出電壓低一些；若其串聯在返回路徑上，則負載電路的GND與電源的GND有壓差。

二極管通流能力有限，無法應對較大電流的負載電路。

二極管發熱嚴重，會有overheat風險。

如果使用二極管無法滿足實際需求，那么可以使用后面的兩種方式。

2.基礎版plus：MOSFET

MOSFET導通壓降小，導通阻抗低，可以解決二極管防反電路的部分缺點。和二極管一樣，有電源路徑和返回路徑兩種設計方式，如下圖：

由于MOSFET自身特性的原因，若僅僅使用singe FET進行電路設計，那么電源路徑上只能使用PMOS，返回路徑只能使用NMOS，它們與二極管相比，有更小的導通壓降，更低的溫升，更大的通流能力（大部分）。

PMOS和NMOS相比，各自的缺點如下：

PMOS防反接電路：同樣size的PMOS與NMOS相比，POMS的Rdson更大，因此同樣性能下，PMOS會比NMOS更貴，尤其是應用在大電流電路中，常常需要好幾個MOSFET并聯在一起實現更大的通流，那成本上就會有更大的差異。

NMOS防反接電路：只能放在返回路徑上，但和二極管放在返回路徑上一樣，還是有導通壓降（雖然小了很多），相當于地平面不是處處電壓相等。

總體來看PMOS和NMOS的防反接電路設計雖然比二極管電路設計相比有明顯進步，但依舊有其各自的缺點。那么，有沒有什么方式，可以既使用NMOS（成本低），又能避免lift up GND呢？
當然有，那就是結合起來，把NMOS放到電源路徑上（高邊），然后用更高的電壓驅動NMOS打開。

3.進階版：NMOS+ FET controller

FET controller有很多種選擇，并且也有很多除了防反接以外的功能（其它功能稍后講）。舉一個簡單的例子，TI的LM5050-1-Q1芯片。它的經典應用電路長這樣：

它的內部長這樣：

電源上電時，電壓通過NMOS的body diode流向芯片的OUT及VS引腳（因此選擇MOSFET時，通流能力不僅要看ID，還要看Is，即continuous source current），VS引腳內部是charge pump，當輸入電壓及其它條件（比如enable之類的）均滿足時，芯片就會通過charge pump給其GATE引腳（即外部NMOS的柵極）充電，這樣充電會增加芯片IN引腳和GATE引腳之間的壓差，也就是NMOS柵極和源極之間的壓差，增大到一定程度后，NMOS就會被打開，那么電源就會通過NMOS的Rds流向負載，而不再是NMOS的體二極管。這就降低了電源路徑上的壓降。

至此，一個較為合格的基礎防反接電路（壓降小，成本低，通流能力強）就成了。

當然這里舉的FET controller例子是LM5050-1-Q1，它驅動柵極的方式是charge pump，主要目的是將NMOS的gate抬高到比source更高的電壓。除了charge pump還有一個抬高電壓的方式，那就是boost regulator。
LM74722-Q1就是這樣的方式，它的經典應用電路及block diagram長這樣：

charge pump和boost regulator這兩種驅動方式相比，差異主要是boost regulator成本更高，但具有更強的driving ability和更好的EMC performance。

3.其它功能

a. ENABLE/OFF

這是一個比較基礎的功能，就是控制FET controll是否工作；

b. switch function

比如上面提到的LM5050-1-Q1，MOSFET的打開只是降低電源路徑的壓降，減少損耗，但即使MOSFET關掉，供電電源的電流還是會通過body diode流向負載，但有一些FET controller可以順帶實現開關的功能，即MOSFET沒有打開時，不會有電流流向負載。這個功能也比較好實現，那就是放一個與當前NMOS背對背的NMOS，如下圖：

紅框中的NMOS的body diode與它右側的NMOS相反，這樣就能阻值電流直接從電源流向負載。

c. UV/OV protection

這個也比較好實現，內部增加比較器就可以，上圖的LM74502-Q1就有這個功能。

d. reverse current block

這個reverse polarity protection情況不同，主要是觸發條件不同。reverse polarity protection是由于電源正負極接反，導致電流可能出現反向流動所以要保護，但reverse polarity protection是電源正負極沒有接反且功能正常運行時，Cout也有了一個穩定的電壓 （例如14V），但是由于供電電源因為某些原因（比如進行電性能測試/ESD測試/雷擊等，具體見汽車電子產品硬件電路設計——電源入口處TVS選擇）有瞬間跌落，此時輸入電壓已經跌至＜14V，但是VOUT部分由于有Cout的存在，從原本的14V開始放電，那么此時，下圖中，VOUT＞VBATT：

此時兩個NMOS還在打開中，就會有電流從VOUT流向VBAT，從而發生電流倒灌，這種電流倒灌可能會對供電電源產生危害，或者損壞NMOS（具體見link）。因此，我們要做的是blocking這個reverse current。
目前常見的處理方式是用比較器，比如LM74700，其內部結構見下圖：

輸入電壓和輸出電壓會分別通過ANODE和CATHODE引腳進入芯片，進入一個-11mv的比較器，如果檢測到輸入電壓比輸出電壓低11mV以上，芯片就會馬上關掉外部NMOS（這個響應速度一般不會超過1us），這樣反向電流就會被NMOS上的body diode阻斷。

參考：

https://www.ti.com/lit/an/slva835a/slva835a.pdf?ts=1720101490746

https://media.monolithicpower.com/mps_cms_document/2/0/2022-en-wechat-designing-a-reverse-polarity-protection-circuit_part-i_r1.0.pdf

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm5050-1-q1.pdf