一、傳統(tǒng)處理電源電壓反轉(zhuǎn)方法

處理電源電壓反轉(zhuǎn)有一些眾所周知的方法，最明顯的解決方案是在電源和負(fù)載之間連接一個(gè)二極管，但二極管的正向電壓會(huì)導(dǎo)致功耗增加。在實(shí)際應(yīng)用二極管并不可取，因?yàn)殡姵卦诔潆姇r(shí)必須吸收電流，在不充電時(shí)必須提供電流。 ? 另一種方法是使用 MOS電路，如下所示。 該技術(shù)的比在負(fù)載側(cè)電路中使用二極管會(huì)更好一點(diǎn)，因此電源電壓會(huì)升壓MOS，從而降低壓降并顯著提高電導(dǎo)。 由于分立NMOS管具有更強(qiáng)的導(dǎo)電性，成本更低，可用性也更高，因此 NMOS 版本比 PMOS 版本好，當(dāng)電池電壓為正時(shí)，兩個(gè)電路中的MOS管均導(dǎo)通，當(dāng)電池電壓反向時(shí)，則斷開。 PMOS管版本具有較高電勢(shì)，而 NMOS管版本具有較低電勢(shì)，因此 MOS管的物理”漏極“成為電源。 MOS管 在兩個(gè)方向上都能很好地傳導(dǎo)電流，因?yàn)樗鼈冊(cè)谌龢O管區(qū)域中是電對(duì)稱的。使用此方法時(shí)，晶體管的最大 VGS 和 VDS 額定值必須高于電池電壓。

傳統(tǒng)負(fù)載側(cè)反接保護(hù)

不過(guò)，該解決方案只適用于負(fù)載側(cè)電路，不使用電池充電電路。電池充電器提供電源，重新啟用MOS管，并恢復(fù)電池反向連接。下圖顯示了正在運(yùn)行的 NMOS管版本，電池處于故障狀態(tài)。

帶一個(gè)電池充電器的負(fù)載側(cè)保護(hù)電路

當(dāng)電池插入時(shí)，電池充電器關(guān)閉，并且負(fù)載和電池充電器與反向電池安全分離。當(dāng)充電器打開時(shí)（例如連接輸入電源連接器），NMOS 的柵極和源極之間會(huì)產(chǎn)生電壓，從而提高 NMOS 的傳導(dǎo)電流的能力。下圖更詳細(xì)地描述了這一點(diǎn)。

統(tǒng)電池反向保護(hù)方案對(duì)電池充電器電路無(wú)效 盡管負(fù)載和充電器受到反向電壓保護(hù)，但保護(hù)性 MOSFET 仍面臨高功耗問題。然后電池充電器變成電池放電器。當(dāng)電池充電器為 MOSFET提供足夠的柵極支持以吸收充電器電流時(shí)，電路將達(dá)到平衡。 如果大功率 MOS管 的 VTH 約為 2V，并且充電器可以提供 2V 電流，則電池充電器輸出電壓將調(diào)節(jié)在 2V（MOS管 漏 極為 2V + 電池電壓） 。ICHARGE?(VTH+VBAT) 是MOS管中的功耗 ，這會(huì)導(dǎo)致 MOS管 加熱并從印刷電路板上散熱。該電路的 PMOS 版本也是如此。 下面介紹了此方法的兩種替代方法，每種方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

二、N 溝道 MOSFET 設(shè)計(jì)

1、第一種解決方案時(shí)使用NMOS隔離器件 根據(jù)電路算法，如果電池電壓超過(guò)電池充電器輸出電壓，則必須禁用隔離MOS管。 在此電路中，MN1 連接在充電器/負(fù)載和電池端子之間的電線的低壓側(cè)，像上面的 NMOS 管方法中的情況一樣。 然而，在電池反向連接的情況下，晶體管 MP1 和 Q1 現(xiàn)在提供禁用 MN1 的檢測(cè)電路。通過(guò)將電池反接， MP1的來(lái)源 上升到其柵極上方，該柵極連接到充電器的正極端子。接著 MP1的漏極通過(guò) R1 向 Q1 的基極提供電流。然后，MN1 的柵極通過(guò) Q1 分流至地，從而防止充電電流流入 MN1。

電池反接電路 在反向檢測(cè)期間，R1 負(fù)責(zé)管理流向 Q1 的基極電流，而 R2 負(fù)責(zé)在正常工作期間為 Q1 的基極提供泄放電流。R3 允許 Q1 將 MN1 的柵極拉至地電位。R3/R4 分壓器控制 MN1 柵極上的電壓，使柵極電壓在反向電池?zé)岵灏纹陂g下降得更小。 最壞的情況是當(dāng)反向電池連接到已經(jīng)運(yùn)行并提供恒定電壓水平的電池充電器時(shí)。在這種情況下，必須盡快關(guān)閉 MN1，以減少高功率消耗的時(shí)間。 該版本電路中的 R3 和 R4 最適合 12V 鉛酸電池應(yīng)用，但在單節(jié)和兩節(jié)等較低電壓應(yīng)用中可以省略 R4 鋰離子 設(shè)備。在電池反向連接期間，電容C1 充當(dāng)超快速電荷泵，降低 MN1 的柵極電平。當(dāng)連接反向電池時(shí)，C1 在充電器再次啟用的最壞情況下很有用。

電池反接電路 該電路的缺點(diǎn)是需要使用額外的元件，并且 R3/R4 分壓器對(duì)電池造成較小但持續(xù)的壓力。 大多數(shù)此類組件都很小。MP1 和 Q1 不是功率器件，通常采用 SOT23-3、SC70-3 或更小的 SOT23-3、SC70-3 或更小的 SOT23-3、SC70-3 或更小的 SOT23-3、SC70-3、或更小的S. 因?yàn)镸N1是傳輸器件，所以應(yīng)該具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，但不需要特別大。 即使對(duì)于中等導(dǎo)電器件，其功耗也很低，因?yàn)樗ぷ髟谏钊龢O管區(qū)域并且具有很強(qiáng)的柵極強(qiáng)化。例如，寬度小于 100m 的晶體管通常采用 SOT23-3 封裝。

電池反擊電路 利用微小的傳輸晶體管的缺點(diǎn)是，由于與電池充電器串聯(lián)的電阻增加，導(dǎo)致恒壓充電階段的充電時(shí)間增加。如果電池及其連線等效串聯(lián)電阻為100m，并采用100m隔離晶體管，則恒壓充電階段的充電時(shí)間會(huì)增加。(更多干貨@電路一點(diǎn)通) MP1 和 Q1 的檢測(cè)和停用電路無(wú)法很快停用 MN1，而且也不必如此。在電池反向連接期間，MN1 消耗大量電量，但關(guān)斷電路只是“最后”斷開 MN1。MN1 必須在加熱到造成傷害之前斷開連接。 幾十微秒的斷開時(shí)間可能就足夠了。然而，在反向電池有機(jī)會(huì)將充電器和負(fù)載電壓拉至負(fù)值之前禁用 MN1 至關(guān)重要，因此需要 C1。該電路本質(zhì)上具有一條交流和一條 直流 禁用路徑。 2、測(cè)試電路 使用鉛酸電池和 LTC4015 電池充電器來(lái)測(cè)試該電路。當(dāng)反向電池?zé)岵灏螘r(shí)，電池充電器關(guān)閉，如下圖所示，充電器和負(fù)載不受反向電壓的影響。

充電器關(guān)閉狀態(tài)下的 NMOS 保護(hù)電路 值得一提的是，MN1 要求 VDS 與電池電壓相同，VGS 為電池電壓的 1/2。MP1 需要與電池電壓相同的 VDS 和 VGS 額定值。 當(dāng)反向電池?zé)岵灏螘r(shí)，下圖描述了更嚴(yán)重的情況，其中電池充電器已經(jīng)正常運(yùn)行。電池反向連接會(huì)降低充電器的電壓，直到檢測(cè)和保護(hù)電路將其關(guān)閉，從而使充電器能夠安全地恢復(fù)到其恒定電壓水平。 一種應(yīng)用與另一種應(yīng)用的動(dòng)態(tài)會(huì)有所不同，并且電池充電器的電容將對(duì)最終輸出產(chǎn)生重大影響。本測(cè)試中的電池充電器具有高 Q 值陶瓷電容和低 Q 值聚合物電容。

充電器運(yùn)行時(shí)的NMOS保護(hù)電路 最后，在電池充電器上，建議使用鋁聚合物和鋁電解電容，以提高常規(guī)正極電池?zé)岵灏纹陂g的性能。 由于其嚴(yán)重的非線性，純陶瓷電容在熱插拔時(shí)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的過(guò)沖；其原因是，當(dāng)電壓從 0V 升至額定電壓時(shí)，它們的電容會(huì)下降驚人的 80%。這種非線性會(huì)導(dǎo)致低電壓下的快速電流和電壓升高時(shí)電容快速減小的致命組合，從而導(dǎo)致非常高的電壓過(guò)沖。 最有彈性的組合似乎是陶瓷電容與低 Q 電壓穩(wěn)定鋁電容甚至鉭電容配對(duì)。

三、P 溝道 MOSFET 設(shè)計(jì)

1、PMOS 晶體管作為保護(hù)器件 本電路中 MP1為電池反接檢測(cè)器件， MP2 為反接隔離器件。使用 MP1 的源極至柵極電壓將電池的正極端子與電池充電器輸出進(jìn)行比較。如果電池充電器端電壓高于電池電壓，MP1將禁用主傳輸裝置 MP2 。 結(jié)果，如果電池電壓被驅(qū)動(dòng)至低于地電壓，則檢測(cè)器件 MP1將明顯導(dǎo)致傳輸器件MP2關(guān)斷（干擾其柵極到其源極）。無(wú)論電池充電器是否啟用并創(chuàng)建充電電壓，都會(huì)完成此操作（0V）。

PMOS 晶體管傳輸元件版本 該電路最顯著的好處是 PMOS隔離晶體管 MP2 無(wú)權(quán)向充電器電路或負(fù)載提供負(fù)電壓。下圖顯示了這一點(diǎn)。 通過(guò) R1，MP2 柵極上可達(dá)到的最低電壓為 0V。盡管 MP2 的漏極被拖至地底以下，但源極并未施加顯著的電壓下行壓力。晶體管將自行去偏壓，其導(dǎo)電性將逐漸消失，直到源電壓降至 VTH（此時(shí)晶體管高于地電壓）。 晶體管的去偏壓程度越高，源電壓越接近地。這一特性加上簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得該方法比之前討論的 NMOS 方法更具吸引力。與 NMOS 方法相比，PMOS 晶體管的缺點(diǎn)是電導(dǎo)率較低且成本較高。

共源共柵效應(yīng)說(shuō)明 盡管該電路比 NMOS 技術(shù)簡(jiǎn)單，但它有一個(gè)很大的缺點(diǎn)。雖然它始終可以防止反向電壓，但電路可能并不總是連接到電池。 當(dāng)門如圖所示交叉耦合時(shí)，該電路會(huì)生成鎖存存儲(chǔ)元件，該元件能夠拾取不正確的狀態(tài)。有一種情況，當(dāng)充電器產(chǎn)生電壓（比如12V）時(shí)，電池以較低的電壓（比如8V）連接，并且電路被拔掉，這很難執(zhí)行。 在這種情況下，MP1 的源極至柵極電壓為 +4V，這會(huì)增強(qiáng) MP1，同時(shí)禁用 MP2。下圖 描述了這種情況，并給出了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定電壓。

使用 PMOS 保護(hù)電路時(shí)可能的阻斷狀態(tài)圖 當(dāng)連接電池時(shí)，充電器必須已經(jīng)運(yùn)行才能實(shí)現(xiàn)這種情況。如果在充電器打開之前連接電池，電池會(huì)拉高 MP1 的柵極電壓，從而停用 MP1。當(dāng)充電器打開時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生受控電流（而不是大電流浪涌），這會(huì)減少 MP1 打開而 MP2 保持關(guān)閉的機(jī)會(huì)。 如果在連接電池之前啟用充電器，MP1 的柵極將簡(jiǎn)單地跟隨電池充電器輸出，因?yàn)樾狗?a target="_blank">電阻器R2 將其上拉。當(dāng)電池未插入時(shí)，MP1 不會(huì)打開并使 MP2 停止運(yùn)行。 當(dāng)充電器已打開且電池已連接時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問題。在這種情況下，充電器輸出和電池端子之間存在短暫的電壓差，導(dǎo)致當(dāng)充電器電容器由于電池電壓而下降時(shí)，MP1 禁用 MP2。這導(dǎo)致 MP2 從充電器電容吸取電荷的能力與 MP1 禁用 MP2 的能力之間的斗爭(zhēng)。

2、測(cè)試電路

使用鉛酸電池和 LTC4015 電池充電器來(lái)測(cè)試電路。 將嚴(yán)重負(fù)載的 6V 電源（例如電池仿真）連接到已啟用的電池充電器將永遠(yuǎn)不會(huì)觸發(fā)“斷開連接”情況。所進(jìn)行的測(cè)試還不夠，重要的應(yīng)用程序應(yīng)該進(jìn)行廣泛的測(cè)試。即使電路鎖定，斷開并重新啟用電池充電器也始終會(huì)導(dǎo)致重新連接。 在R1的頂部和電池充電器的輸出之間臨時(shí)連接可以用來(lái)指示故障情況。另一方面，該電路被認(rèn)為更容易發(fā)生連接。如果發(fā)生連接故障，可以創(chuàng)建一個(gè)電路，使用多個(gè)設(shè)備禁用電池充電器。下圖顯示了更完整的電路。

更高電壓電池反接保護(hù) 當(dāng)充電器關(guān)閉時(shí)，下圖顯示了 PMOS 保護(hù)電路的效果。需要注意的是，電池充電器和負(fù)載電壓永遠(yuǎn)不會(huì)遇到負(fù)電壓傳輸。

充電器關(guān)閉時(shí)的PMOS 保護(hù)電路 在“反向電池?zé)岵灏螘r(shí)充電器已經(jīng)運(yùn)行”的不利情況下，電路如下所示。反向電池與 NMOS 電路一樣，在斷開電路并關(guān)閉傳輸晶體管 MP2 之前會(huì)稍微降低充電器和負(fù)載電壓。 在該版本的電路中，晶體管 MP2 必須能夠承受兩倍于電池電壓的 VDS（一個(gè)用于充電器，一個(gè)用于反向電池），并且 VGS 等于電池電壓。 另一方面，MP1 必須維持等于電池電壓的 VDS 和兩倍于電池電壓的 VGS。這是很麻煩的，因?yàn)?MOSFET 晶體管的額定 VDS 總是超過(guò)額定 VGS。對(duì)于鉛酸電池應(yīng)用，可以使用具有 30V VGS 和 40V VDS 容差的晶體管。為了支持更高電壓的電池，必須通過(guò)添加齊納二極管和限流電阻來(lái)修改電路。

充電器運(yùn)行時(shí)PMOS保護(hù)電路 下圖顯示了能夠處理兩個(gè)串聯(lián)堆疊的鉛酸電池的電路示例。

更高電壓電池反接保護(hù) D1、D3 和 R3 可以保護(hù) MP2 和 MP3 的柵極免受高壓損壞。當(dāng)熱插反電池時(shí)，D2 可防止 MP3 的柵極和電池充電器的輸出快速下降至低于接地電壓。當(dāng)電路出現(xiàn)電池反接或處于錯(cuò)誤斷開鎖定狀態(tài)時(shí)，MP1 和 R1 使用 LTC4015 缺失的 RT 功能來(lái)禁用電池充電器。 ?

編輯：黃飛

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