最全的反向电压极性保护电路

Posted 2020-10-30 阳光&技术

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电压反接保护（Reverse Voltage Protect, RVP）电路主要用在需要直流电压供电电源的输入端，用于防止输入电压极性反接而造成电路系统元器件的损坏，甚至事故！

 

大多数电路系统都需要极性正确的直流电压进行供电才能够正常地工作，如果电压极性一旦反接，则很有可能损坏内部电路元器件，因为很多元器件不能够承受过大的反向电压。

比如，铝电解电容都是有极性的，而它可以承受的最大反向电压很小，如下图所示：（来自VISHAY 铝电解电容038 RSU数据手册）

 

铝电解电容强行施加反向电压，将出现电流大，发热等现象，严重者可能发生爆炸（Boom）

 

大多数集成芯片的反向耐压也不高，我们看看单片机的数据手册，如下图所示：（来自STM32单片机数据手册）

 

因此，对于大多数电路系统而言，特别是内部有较昂贵的元器件时，或价值较高的电路系统，添加一个电压极性保护电路还是必要的，下面我们介绍一些常用的RVP电路。

 

最简单的RVP电路就是：使用一个二极管串联在输入直流电源线路上。其优点就是简单，缺点是二极管有一定的压降，不适合输入电压比较低的应用场合，而且电流很大时损耗也很大（发热），另外，输入电压反接时，由于二极管是截止的，电路系统是不工作的，如下图所示:

 

如果需要在极性反接的情况下，电路系统也能够正常工作，可以使用全桥桥堆连接方法，如下图所示：

 

它的缺点是损耗比单个二极管RVP电路更大（两个二极管压降损耗），但带来的好处是无论输入电压是正向或反向，电路系统都能够正常工作。

 

有些厂家为了简化保护电路并降低二极管的损耗，直接在电路系统的输入直流供电电源两端反向并联一个二极管，如下图所示：

 

这样当外接电源反接时，二极管就被击穿了，从而保护电路模块中更为贵重的元器件，而二极管的成本还不到一毛钱，维修的时候直接更换一个就可以，典型的“丢卒保车”的做法；

 

当然，你也可以在二极管前面再串一个熔断型保险丝，如下图所示：

 

当输入电压极性反向时，保险丝将会熔断，你只需要换一个保险丝即可，甚至都不需要拿铬铁来进行维修。

 

对保护电路要求更高的场合，我们还可以使用如下图所示的增强型NMOS管保护电路：

 

当输入电压极性正确时，NMOS的寄生二极管将先一步导通，这样NMOS管的栅-源电压V_GS约为输入电压（小一个二极管压降），如下图所示：

 

 

此时二极管是有一定压降的（有损耗），但V_GS使NMOS管导通后将寄生二极管短路，此时电流将从NMOS管沟道流过，如下图所示：

 

现在的NMOS管导通电阻可以做到毫欧姆级别，因此损耗将非常低，

 

而当电源极性反接时，寄生二极管因反向偏置而截止，由于栅-源电压V_GS不满足条件，NMOS管也是截止的，电路系统将不予工作，如下图所示：

 

 

上述电路仅适合输入电压不高于NMOS管栅-源电压（典型值不超过12V）的场合，否则将可能损坏MOS管，这时我们需要添加一些附属电路，比如电阻分压电路，如下图所示：

 

当然，如果你担心输入电压波动太大（从而分压过大），而且荷包也足够饱满的话，也可以加个稳压二极管，如下图所示：

 

 

 

用PMOS管也可以实现这个功能，如下图所示：

 

它的分析原理与NMOS管完全一致，针对输入电压大于PMOS栅-源电压的场合，其附属电路与PMOS管也是一样的，本文不再赘述。

 

当然，NMOS管的导通电阻比PMOS管小（参考文章“场效应管（4）PMOS与NMOS沟道导通电阻”），在适当的场合可以考虑这一点。