直流电源防反接措施

Posted 2020-12-04 upupday2152

防反接保护电路

1，通常情况下直流电源输入防反接保护电路是利用二极管的单向导电性来实现防反接保护。如下图1示：

这种接法简单可靠，但当输入大电流的情况下功耗影响是非常大的。以输入电流额定值达到2A,如选用Onsemi的快速恢复二极管  MUR3020PT，额定管压降为0.7V，那么功耗至少也要达到：Pd＝2A×0.7V＝1.4W，这样效率低，发热量大，要加散热器。

 

2,另外还可以用二极管桥对输入做整流，这样电路就永远有正确的极性(图2)。这些方案的缺点是，二极管上的压降会消耗能量。输入电流为2A时，图1中的电路功耗为1.4W，图2中电路的功耗为2.8W。

图1，一只串联二极管保护系统不受反向极性影响，二极管有0.7V的压降

图2 是一个桥式整流器，不论什么极性都可以正常工作，但是有两个二极管导通，功耗是图1的两倍

MOS管型防反接保护电路

 

图4、图5利用了MOS管的开关特性，控制电路的导通和断开来设计防反接保护电路，由于功率MOS管的内阻很小，现在 MOSFET Rds（on）已经能够做到毫欧级，解决了现有采用二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大的问题。

极性反接保护将保护用场效应管与被保护电路串联连接。保护用场效应管为PMOS场效应管或NMOS场效应管。若为PMOS，其栅极和源极分别连接被保护电路的接地端和电源端，其漏极连接被保护电路中PMOS元件的衬底。若是NMOS，其栅极和源极分别连接被保护电路的电源端和接地端，其漏极连接被保护电路中NMOS元件的衬底。一旦被保护电路的电源极性反接，保护用场效应管会形成断路，防止电流烧毁电路中的场效应管元件，保护整体电路。

图3. NMOS管型防反接保护电路

N沟道MOS管通过S管脚和D管脚串接于电源和负载之间，电阻R1为MOS管提供电压偏置，利用MOS管的开关特性控制电路的导通和断开，从而防止电源反接给负载带来损坏。正接时候，R1提供VGS电压，MOS饱和导通。反接的时候MOS不能导通，所以起到防反接作用。功率MOS管的Rds（on）只有20mΩ实际损耗很小，2A的电流，功耗为（2×2)×0.02=0.08W根本不用外加散热片。解决了现有采用二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大的问题。

下图中，电压从+VIN输入经过R1、R2、N-MOS管的寄生二极管回到-VIN,形成闭合回路，R1和R2串联分压，为G提供电压，使场效应管导通，因为其导通阻值很小，就把场效应管内部的二极管给替代了；当输入两端电压接反时，由于N-MOS管中的寄生二极管处于反向，形成不了闭合回路，所以G极电压为0V，此时N-MOS管为截止状态，整个1电路得到保护。VZI稳压二极管确保N-MOS管栅极电压在安全电压内（VgsMAX最大不能超过20V，最好选用10V稳压管），对于并联在分压电阻上的电容，有一个软启动的作用。在电流开始流过的瞬间，电容充电，G极的电压是逐步建立起来的。

在下面这个电路中，当电源极性正确时，图中NMOS中的寄生二极管先导通，此时，MOS的S极对地电压约为0.7V（按硅管算），G极电压由于稳压管的作用被稳到10V，所以Vgs=10-0.7=9.3V大于NMOS的开启电压，于是NMOS导通，将寄生二极管短路，因此电流只经过NMOS，而不经过寄生二极管。图中电阻的选择为 （Vcc-Vz）/（2~3mA）。

正确连接时：刚上电，MOS管的寄生二极管导通，所以S的电位大概就是0.6V，而G极的电位，是VBAT，VBAT-0.6V大于UGS的阀值开启电压，MOS管的DS就会导通，由于内阻很小，所以就把寄生二极管短路了，压降几乎为0。

　　电源接反时：UGS=0，MOS管不会导通，和负载的回路就是断的，从而保证电路安全。

 

下图为P-MOS防反接电路：

正确连接时：刚上电，MOS管的寄生二极管导通，电源与负载形成回路，所以S极电位就是VBAT-0.6V，而G极电位是0V，PMOS管导通，从D流向S的电流把二极管短路。

电源接反时：G极是高电平，PMOS管不导通。保护电路安全。

 

VZ1为稳压管防止栅源电压过高击穿mos管。NMOS管的导通电阻比PMOS的小，最好选NMOS。

NMOS管接在电源的负极，栅极高电平导通。

PMOS管接在电源的正极，栅极低电平导通。