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標題: 幾種常用的防反接保護電路 [打印本頁]

作者: Ameya360電子 時間: 2018-8-6 17:45
標題: 幾種常用的防反接保護電路
1，通常情況下直流電源輸入防反接保護電路是利用二極管的單向導電性來實現防反接保護。如下圖1示：

這種接法簡單可靠，但當輸入大電流的情況下功耗影響是非常大的。以輸入電流額定值達到2A,如選用Onsemi的快速恢復二極管 MUR3020PT，額定管壓降為0.7V，那么功耗至少也要達到：Pd＝2A×0.7V＝1.4W，這樣效率低，發熱量大，要加散熱器。

2,另外還可以用二極管橋對輸入做整流，這樣電路就永遠有正確的極性(圖2)。這些方案的缺點是，二極管上的壓降會消耗能量。輸入電流為2A時，圖1中的電路功耗為1.4W，圖2中電路的功耗為2.8W。

圖1，一只串聯二極管保護系統不受反向極性影響，二極管有0.7V的壓降

圖2 是一個橋式整流器，不論什么極性都可以正常工作，但是有兩個二極管導通，功耗是圖1的兩倍

MOS管型防反接保護電路

圖3利用了MOS管的開關特性，控制電路的導通和斷開來設計防反接保護電路，由于功率MOS管的內阻很小，現在 MOSFET Rds（on）已經能夠做到毫歐級，解決了現有采用二極管電源防反接方案存在的壓降和功耗過大的問題。

極性反接保護將保護用場效應管與被保護電路串聯連接。保護用場效應管為PMOS場效應管或NMOS場效應管。若為PMOS，其柵極和源極分別連接被保護電路的接地端和電源端，其漏極連接被保護電路中PMOS元件的襯底。若是NMOS，其柵極和源極分別連接被保護電路的電源端和接地端，其漏極連接被保護電路中NMOS元件的襯底。一旦被保護電路的電源極性反接，保護用場效應管會形成斷路，防止電流燒毀電路中的場效應管元件，保護整體電路。

具體N溝道MOS管防反接保護電路電路如圖3示

圖3. NMOS管型防反接保護電路

N溝道MOS管通過S管腳和D管腳串接于電源和負載之間，電阻R1為MOS管提供電壓偏置，利用MOS管的開關特性控制電路的導通和斷開，從而防止電源反接給負載帶來損壞。正接時候，R1提供VGS電壓，MOS飽和導通。反接的時候MOS不能導通，所以起到防反接作用。功率MOS管的Rds（on）只有20mΩ實際損耗很小，2A的電流，功耗為（2×2)×0.02=0.08W根本不用外加散熱片。解決了現有采用二極管電源防反接方案存在的壓降和功耗過大的問題。

VZ1為穩壓管防止柵源電壓過高擊穿mos管。NMOS管的導通電阻比PMOS的小，最好選NMOS。

NMOS管接在電源的負極，柵極高電平導通。

PMOS管接在電源的正極，柵極低電平導通。

一般情況下普遍用于高端驅動的MOS,導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。

而高端驅動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，

所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V.如果在同一個系統里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達驅動器都集成了電荷泵，要注意的是應該

選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅動MOS管。

MOS管是電壓驅動，按理說只要柵極電壓到到開啟電壓就能導通DS,柵極串多大電阻均能導通。

但如果要求開關頻率較高時，柵對地或VCC可以看做是一個電容，對于一個電容來說，串的電阻越大，柵極達到導通電壓時間越長，MOS處于半導通狀態時間也越長，在半導通狀態內阻較大，發熱也會增大，極易損壞MOS,所以高頻時柵極柵極串的電阻不但要小，一般要加前置驅動電路的。下面我們先來了解一下MOS管開關的基礎知識。

1、MOS管種類和結構

MOSFET管是FET的一種（另一種是JFET），可以被制造成增強型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實際應用的只有增強型的N溝道MOS管和增強型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是這兩種。

至于為什么不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問底。

對于這兩種增強型MOS管，比較常用的是NMOS.

原因是導通電阻小，且容易制造。

所以開關電源和馬達驅動的應用中，一般都用NMOS.下面的介紹中，也多以NMOS為主。

MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在，這不是我們需要的，而是由于制造工藝限制產生的。寄生電容的存在使得在設計或選擇驅動電路的時候要麻煩一些，但沒有辦法避免，后邊再詳細介紹。

在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管，在驅動感性負載（如馬達），這個二極管很重要。

順便說一句，體二極管只在單個的MOS管中存在，在集成電路芯片內部通常是沒有的。

2、MOS管導通特性

導通的意思是作為開關，相當于開關閉合。

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會導通，適合用于源極接地時的情況（低端驅動），只要柵

極電壓達到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會導通，適合用于源極接VCC時的情況（高端驅動）。

但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動，但由于導通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅動中，通常還是使用NMOS.

3、MOS開關管損失

不管是NMOS還是PMOS,導通后都有導通電阻存在，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導通損耗。

選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗。現在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。

MOS在導通和截止的時候，一定不是在瞬間完成的。

MOS兩端的電壓有一個下降的過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關損失。

通常開關損失比導通損失大得多，而且開關頻率越快，損失也越大。

導通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。

縮短開關時間，可以減小每次導通時的損失；

降低開關頻率，可以減小單位時間內的開關次數。

這兩種辦法都可以減小開關損失。

4、MOS管驅動

跟雙極性晶體管相比，一般認為使MOS管導通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。這個很容易做到，但是，我們還需要速度。

在MOS管的結構中可以看到，在GS,GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅動，實際上就是對電容的充放電。

對電容的充電需要一個電流，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。

選擇/設計MOS管驅動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。

而在進行MOSFET的選擇時，因為MOSFET有兩大類型：N溝道和P溝道。

在功率系統中，MOSFET可被看成電氣開關。

當在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時，其開關導通。

導通時，電流可經開關從漏極流向源極。

漏極和源極之間存在一個內阻，稱為導通電阻RDS（ON）。

必須清楚MOSFET的柵極是個高阻抗端，因此，總是要在柵極加上一個電壓。

這就是后面介紹電路圖中柵極所接電阻至地。如果柵極為懸空，器件將不能按設計意圖工作，并可能在不恰當的時刻導通或關閉，導致系統產生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時，開關關閉，而電流停止通過器件。雖然這時器件已經關閉，但仍然有微小電流存在，這稱之為漏電流，即IDSS.

第一步：選用N溝道還是P溝道

為設計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET.在典型的功率應用中，當一個MOSFET接地，而負載連接到干線電壓上時，該MOSFET就構成了低壓側開關。在低壓側開關中，應采用N溝道MOSFET,這是出于對關閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOSFET連接到總線及負載接地時，就要用高壓側開關。通常會在這個拓撲中采用P溝道MOSFET,這也是出于對電壓驅動的考慮。

第二步：確定額定電流

第二步是選擇MOSFET的額定電流。視電路結構而定，該額定電流應是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設計人員必須確保所選的MOSFET能承受這個額定電流，即使在系統產生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續模式和脈沖尖峰。

在連續導通模式下，MOSFET處于穩態，此時電流連續通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌（或尖峰電流）流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可。

選好額定電流后，還必須計算導通損耗。在實際情況下，MOSFET并不是理想的器件，因為在導電過程中會有電能損耗，這稱之為導通損耗。MOSFET在“導通”時就像一個可變電阻，由器件的RDS（ON）所確定，并隨溫度而顯著變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS（ON）計算，由于導通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOSFET施加的電壓VGS越高，RDS（ON）就會越小；反之RDS（ON）就會越高。對系統設計人員來說，這就是取決于系統電壓而需要折中權衡的地方。對便攜式設計來說，采用較低的電壓比較容易（較為普遍），而對于工業設計，可采用較高的電壓。注意RDS（ON）電阻會隨著電流輕微上升。關于RDS（ON）電阻的各種電氣參數變化可在制造商提供的技術資料表中查到。

第三步：確定熱要求

選擇MOSFET的下一步是計算系統的散熱要求。設計人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結果，因為這個結果提供更大的安全余量，能確保系統不會失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數據；比如封裝器件的半導體結與環境之間的熱阻，以及最大的結溫。

器件的結溫等于最大環境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積（結溫=最大環境溫度+[熱阻×功率耗散]）。根據這個方程可解出系統的最大功率耗散，即按定義相等于I2×RDS（ON）。由于設計人員已確定將要通過器件的最大電流，因此可以計算出不同溫度下的RDS（ON）。值得注意的是，在處理簡單熱模型時，設計人員還必須考慮半導體結/器件外殼及外殼/環境的熱容量；即要求印刷電路板和封裝不會立即升溫。

通常，一個PMOS管，會有寄生的二極管存在，該二極管的作用是防止源漏端反接，對于PMOS而言，比起NMOS的優勢在于它的開啟電壓可以為0,而DS電壓之間電壓相差不大，而NMOS的導通條件要求VGS要大于閾值，這將導致控制電壓必然大于所需的電壓，會出現不必要的麻煩。選用PMOS作為控制開關，有下面兩種應用：

第一種應用，由PMOS來進行電壓的選擇，當V8V存在時，此時電壓全部由V8V提供，將PMOS關閉，VBAT不提供電壓給VSIN,而當V8V為低時，VSIN由8V供電。注意R120的接地，該電阻能將柵極電壓穩定地拉低，確保PMOS的正常開啟，這也是前文所描述的柵極高阻抗所帶來的狀態隱患。D9和D10的作用在于防止電壓的倒灌。D9可以省略。這里要注意到實際上該電路的DS接反，這樣由附生二極管導通導致了開關管的功能不能達到，實際應用要注意。

來看這個電路，控制信號PGC控制V4.2是否給P_GPRS供電。此電路中，源漏兩端沒有接反，R110與R113存在的意義在于R110控制柵極電流不至于過大，R113控制柵極的常態，將R113上拉為高，截至PMOS,同時也可以看作是對控制信號的上拉，當MCU內部管腳并沒有上拉時，即輸出為開漏時，并不能驅動PMOS關閉，此時，就需要外部電壓給予的上拉，所以電阻R113起到了兩個作用。R110可以更小，到100歐姆也可。

另外，我們再來MOS管的開關特性

一、靜態特性

MOS管作為開關元件，同樣是工作在截止或導通兩種狀態。由于MOS管是電壓控制元件，所以主要由柵源電壓uGS決定其工作狀態。

工作特性如下：

※ uGS<開啟電壓UT:MOS管工作在截止區，漏源電流iDS基本為0,輸出電壓uDS≈UDD,MOS管處于“斷開”狀態，其等效電路如下圖所示。

※ uGS>開啟電壓UT:MOS管工作在導通區，漏源電流iDS=UDD/（RD+rDS）。其中，rDS為MOS管導通時的漏源電阻。輸出電壓UDS=UDD·rDS/（RD+rDS），如果rDS《RD,則uDS≈0V,MOS管處于“接通”狀態，其等效電路如上圖（c）所示。

二、動態特性

MOS管在導通與截止兩種狀態發生轉換時同樣存在過渡過程，但其動態特性主要取決于與電路有關的雜散電容充、放電所需的時間，而管子本身導通和截止時電荷積累和消散的時間是很小的。下圖（a）和（b）分別給出了一個NMOS管組成的電路及其動態特性示意圖。

NMOS管動態特性示意圖

當輸入電壓ui由高變低，MOS管由導通狀態轉換為截止狀態時，電源UDD通過RD向雜散電容CL充電，充電時間常數τ1=RDCL.所以，輸出電壓uo要通過一定延時才由低電平變為高電平；當輸入電壓ui由低變高，MOS管由截止狀態轉換為導通狀態時，雜散電容CL上的電荷通過rDS進行放電，其放電時間常數τ2≈rDSCL.可見，輸出電壓Uo也要經過一定延時才能轉變成低電平。但因為rDS比RD小得多，所以，由截止到導通的轉換時間比由導通到截止的轉換時間要短。

由于MOS管導通時的漏源電阻rDS比晶體三極管的飽和電阻rCES要大得多，漏極外接電阻RD也比晶體管集電極電阻RC大，所以，MOS管的充、放電時間較長，使MOS管的開關速度比晶體三極管的開關速度低。不過，在CMOS電路中，由于充電電路和放電電路都是低阻電路，因此，其充、放電過程都比較快，從而使CMOS電路有較高的開關速度。
來源：網絡，如侵刪

作者: nong1001 時間: 2018-8-7 23:27
挺有用的

作者: join22life 時間: 2019-10-8 10:48
收藏，多謝分享

作者: shidonshen 時間: 2019-10-9 10:17
學習了，多謝

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