在汽車電子硬件電路設計領域，電源入口處的防反接電路設計至關重要。以下將詳細探討為何要設計防反接電路以及具體的設計方式。

一、設計防反接電路的原因

電源入口處的接線和線束制作通常由人工操作，這就存在正負極接反的可能性。一旦正負極接反，極有可能損壞電源和負載電路。此外，汽車電子產(chǎn)品電性能測試標準 ISO16750 - 2 的 4.7 節(jié)明確包含了電壓極性反接測試，汽車電子產(chǎn)品必須通過該項測試，這也使得防反接電路的設計成為必要。

二、防反接電路設計

1. 基礎版：二極管
   串聯(lián)二極管是實現(xiàn)防反接的最簡單電路形式。由于電源有電源路徑（正極）和返回路徑（負極，GND），所以二極管既可以串接在電源正極，也可以串接在電源負極，如圖所示：
   
   這種設計成本較低，但存在明顯的局限性和缺點。二極管存在正向?qū)▔航担舸?lián)在電源路徑上，負載電路入口處的電壓會低于電源輸出電壓；若串聯(lián)在返回路徑上，負載電路的 GND 與電源的 GND 會存在壓差。而且，二極管的通流能力有限，無法滿足大電流負載電路的需求，同時發(fā)熱嚴重，存在過熱風險。當使用二極管無法滿足實際需求時，可考慮其他方式。
2. 基礎版 plus：MOSFET
   MOSFET 具有導通壓降小、導通阻抗低的優(yōu)點，能解決二極管防反電路的部分缺點。和二極管一樣，MOSFET 也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，在電源路徑上只能使用 PMOS，返回路徑只能使用 NMOS。與二極管相比，它們具有更小的導通壓降、更低的溫升和更大的通流能力（大部分情況）。然而，PMOS 和 NMOS 也各自存在缺點。同樣尺寸的 PMOS 與 NMOS 相比，PMOS 的 Rdson 更大，在相同性能要求下，PMOS 會比 NMOS 更貴，特別是在大電流電路中，可能需要多個 MOSFET 并聯(lián)以實現(xiàn)更大通流，成本差異會更明顯。NMOS 防反接電路只能放在返回路徑上，雖然導通壓降比二極管小很多，但仍存在，導致地平面電壓并非處處相等。
3. 進階版：NMOS + FET controller
   FET controller 有多種選擇，除了防反接功能外，還有其他功能。以 TI 的 LM5050 - 1 - Q1 芯片為例，其經(jīng)典應用電路如下：
   
   其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：
   
   電源上電時，電壓通過 NMOS 的體二極管流向芯片的 OUT 及 VS 引腳。VS 引腳內(nèi)部是電荷泵，當輸入電壓及其他條件（如 enable 等）滿足時，芯片會通過電荷泵給其 GATE 引腳（即外部 NMOS 的柵極）充電，增加 NMOS 柵極和源極之間的壓差，當壓差增大到一定程度，NMOS 打開，電源通過 NMOS 的 Rds 流向負載，而非體二極管，從而降低了電源路徑上的壓降。至此，一個壓降小、成本低、通流能力強的基礎防反接電路就完成了。

除了電荷泵驅(qū)動方式，還有升壓調(diào)節(jié)器（boost regulator）方式，如 LM74722 - Q1，其經(jīng)典應用電路及框圖如下：


電荷泵和升壓調(diào)節(jié)器這兩種驅(qū)動方式相比，升壓調(diào)節(jié)器成本更高，但具有更強的驅(qū)動能力和更好的電磁兼容性（EMC）性能。

三、其他功能

1. ENABLE/OFF：這是一個基礎功能，用于控制 FET controller 是否工作。
2. switch function：部分 FET controller 可以實現(xiàn)開關功能。例如，在 MOSFET 未打開時，防止電流流向負載。可通過放置一個與當前 NMOS 背對背的 NMOS 來實現(xiàn)，如下圖：
   
   紅框中的 NMOS 的體二極管與右側(cè) NMOS 相反，可阻止電流直接從電源流向負載。
3. UV/OV protection：通過在內(nèi)部增加比較器即可實現(xiàn)，如 LM74502 - Q1 就具備此功能。
4. reverse current block：與極性反接保護情況不同，反向電流阻斷主要是在電源正負極未接反且功能正常運行時，當供電電源因某些原因（如電性能測試、ESD 測試、雷擊等）瞬間跌落，而輸出端由于電容存在仍有電壓，可能導致電流倒灌。常見的處理方式是使用比較器，如 LM74700，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：
   
   
   
   
5. 輸入電壓和輸出電壓分別通過 ANODE 和 CATHODE 引腳進入芯片，經(jīng)過一個 - 11mV 的比較器。若檢測到輸入電壓比輸出電壓低 11mV 以上，芯片會迅速關掉外部 NMOS（響應速度一般不超過 1μs），反向電流會被 NMOS 上的體二極管阻斷。