一种直流电池/电源正反接均可供电的电路方案

Posted 2022-05-24 不脱发的程序猿

之前我发过一篇：直流电源防反接电路设计，可使用二极管、桥式整流管和MOS管设计防反接的电路。本篇博文转载于：EDN电子技术设计，基于MOS管，提出一种可支持直流电池/电源无论正反接均可正常供电的电路方案。

EDN早前发布的设计实例“Circuit provides reverse-battery protection”当中概述了一种极性保护电路，它可以将电池正确连接到负载，而不论电池在其底座中的方向如何。这个电路采用Maxim公司提供的快速开关、低压、双SPDT CMOS模拟开关IC MAX4636设计，可以工作，但存在一些缺点。它的电源电压范围有一定的局限（1.8~5.5V），并且内部电阻略高，因此只能用于电流负荷不超过30mA的产品。幸运的是，由于MOSFET技术的一些重大进步，现在可以克服这些局限。

图1说明了使用P沟道MOSFET晶体管对负载进行反极性电池保护的方法。通常，要使P沟道MOSFET导通，需要向其栅源控制结施加适当的电压（栅极端为负电位，源极端为正电位）。图1所示的P沟道MOSFET的连接稍有不同，其工作方式如下。

图1 使用P沟道MOSFET保护负载免受反向电池的损坏

当将电源加到A和B端子（A为正，B为负）时，晶体管的内部二极管D1处于正向偏置，为Q1提供栅源控制电压，从而使其导通。MOSFET的小电阻充当二极管D1的旁路，将电流送到负载。

当电池反向时，电压也施加到A和B端子（但现在是A为负，B为正），晶体管的内部二极管D1受到反向偏置，Q1的栅源电压为0。因此，Q1晶体管截止，负载无电流。

换句话说，这个电路中的P沟道MOSFET Q1，其行为类似于二极管（即虚拟的“D2”），其正向阈值电压非常低。也可以以类似方式使用N沟道MOSFET（图2）。

图2 使用N沟道MOSFET保护负载免受反向电池的损坏

当A端为正、B端为负时，晶体管的内部二极管D1获得正向偏置，为Q1提供栅漏控制电压，从而使其导通。MOSFET的小电阻为D1二极管分流，从而将电流送到负载。

当向A和B端子反向供电（A为负，B为正）时，晶体管的内部二极管D1受到反向偏置，其栅源电压等于0。MOSFET Q1截止，负载没有电流。

图1和图2所示的电路可用于保护负载免受电池反接的影响，而非使用普通的二极管反极性保护，但如果电池反向安装，则无法为负载供电。

图3 这个电路可在任何电池安装情况下为负载供电

当按图3所示安装电池时，正电位通过P沟道晶体管Q2的正向偏置内部二极管D2施加到其源极。这样会使Q2的栅极处于电池负极的电位，从而使其导通。电池的负极通过N沟道晶体管Q3的正向偏置内部二极管D3连接到其源极。在这种情况下，Q3由于栅极处于电池正极的电位，因此将会导通。总的来说，当电池处于此方向时，Q2和Q3处于放大状态，将电池的电压传送到负载；Q1和Q4则保持断开。

在下一种情况下，电池的安装方向相反。这时，正电势通过P沟道晶体管Q4的正向偏置内部二极管D4施加到其源极。由于Q4的栅极处于电池负极的电位，因此它会导通。Q1的内部二极管D1受到正向偏置，从而可以将来自电池负极的电势施加到N沟道晶体管Q1的源极。由于Q1的栅极处于电池正极的电位，因此Q1导通。由于Q1和Q4双双导通，因此电池被连接到负载，而Q2和Q3则处于关断状态。

请注意，这个设计当中有项安全功能，利用到了MOSFET的内部二极管。晶体管Q1~Q4中的二极管互相连接，形成了全桥整流器。万一MOSFET无法工作，二极管电桥仍然可以对输入进行整流，从而为负载提供正确极性的电力。

附录

图3中所示的电路，其适用电压相对较低，不超过N沟道和P沟道MOSFET的最大允许栅源结，通常为±15~20V。对于需要更高电池电压的应用，应对图3中的电路进行修改，以保护MOSFET的栅源结，如图4所示。

图4 保护MOSFET的栅源结

这个电路中增加了齐纳二极管D5~D8，用以保护MOSFET的栅源结。电阻R1和R2起到限流作用。在大多数情况下，D5~D8的Vzener（反向击穿电压）值应该在12至13V之间。这足以打开MOSFET，获得其最小Rds-on值。R1和R2的值（R1 = R2 = R）可以按下式进行计算：

R = (Vbatt–Rds-on×Iload–Vzener)/Izen

其中，Vbatt是电池电压，Rds-on是MOSFET导通时的漏源电阻，Iload是负载电流，Vzener是齐纳二极管的反向击穿电压，而Izen是齐纳二极管的工作电流。

注意：这款Maxim的器件在+3V电源下会带来11Ω（2×5.5Ω）的串联电阻，而在+5V电源下会带来8Ω（2×4Ω）的串联电阻。