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標(biāo)題: 幾種常用的防反接保護(hù)電路 [打印本頁]

作者: Ameya360電子 時(shí)間: 2018-8-6 17:45
標(biāo)題: 幾種常用的防反接保護(hù)電路
1，通常情況下直流電源輸入防反接保護(hù)電路是利用二極管的單向?qū)щ娦詠韺?shí)現(xiàn)防反接保護(hù)。如下圖1示：

這種接法簡(jiǎn)單可靠，但當(dāng)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(dá)到2A,如選用Onsemi的快速恢復(fù)二極管 MUR3020PT，額定管壓降為0.7V，那么功耗至少也要達(dá)到：Pd＝2A×0.7V＝1.4W，這樣效率低，發(fā)熱量大，要加散熱器。

2,另外還可以用二極管橋?qū)︔斎胱稣鳎@樣電路就永遠(yuǎn)有正確的極性(圖2)。這些方案的缺點(diǎn)是，二極管上的壓降會(huì)消耗能量。輸入電流為2A時(shí)，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(lián)二極管保護(hù)系統(tǒng)不受反向極性影響，二極管有0.7V的壓降

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

MOS管型防反接保護(hù)電路

圖3利用了MOS管的開關(guān)特性，控制電路的導(dǎo)通和斷開來設(shè)計(jì)防反接保護(hù)電路，由于功率MOS管的內(nèi)阻很小，現(xiàn)在 MOSFET Rds（on）已經(jīng)能夠做到毫歐級(jí)，解決了現(xiàn)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(hù)將保護(hù)用場(chǎng)效應(yīng)管與被保護(hù)電路串聯(lián)連接。保護(hù)用場(chǎng)效應(yīng)管為PMOS場(chǎng)效應(yīng)管或NMOS場(chǎng)效應(yīng)管。若為PMOS，其柵極和源極分別連接被保護(hù)電路的接地端和電源端，其漏極連接被保護(hù)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(hù)電路的電源端和接地端，其漏極連接被保護(hù)電路中NMOS元件的襯底。一旦被保護(hù)電路的電源極性反接，保護(hù)用場(chǎng)效應(yīng)管會(huì)形成斷路，防止電流燒毀電路中的場(chǎng)效應(yīng)管元件，保護(hù)整體電路。

具體N溝道MOS管防反接保護(hù)電路電路如圖3示

圖3. NMOS管型防反接保護(hù)電路

N溝道MOS管通過S管腳和D管腳串接于電源和負(fù)載之間，電阻R1為MOS管提供電壓偏置，利用MOS管的開關(guān)特性控制電路的導(dǎo)通和斷開，從而防止電源反接給負(fù)載帶來損壞。正接時(shí)候，R1提供VGS電壓，MOS飽和導(dǎo)通。反接的時(shí)候MOS不能導(dǎo)通，所以起到防反接作用。功率MOS管的Rds（on）只有20mΩ實(shí)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(xiàn)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(wěn)壓管防止柵源電壓過高擊穿mos管。NMOS管的導(dǎo)通電阻比PMOS的小，最好選NMOS。

NMOS管接在電源的負(fù)極，柵極高電平導(dǎo)通。

PMOS管接在電源的正極，柵極低電平導(dǎo)通。

一般情況下普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的MOS,導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。

而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，

所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大4V或10V.如果在同一個(gè)系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵，要注意的是應(yīng)該

選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng)MOS管。

MOS管是電壓驅(qū)動(dòng)，按理說只要柵極電壓到到開啟電壓就能導(dǎo)通DS,柵極串多大電阻均能導(dǎo)通。

但如果要求開關(guān)頻率較高時(shí)，柵對(duì)地或VCC可以看做是一個(gè)電容，對(duì)于一個(gè)電容來說，串的電阻越大，柵極達(dá)到導(dǎo)通電壓時(shí)間越長(zhǎng)，MOS處于半導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)間也越長(zhǎng)，在半導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)阻較大，發(fā)熱也會(huì)增大，極易損壞MOS,所以高頻時(shí)柵極柵極串的電阻不但要小，一般要加前置驅(qū)動(dòng)電路的。下面我們先來了解一下MOS管開關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。

1、MOS管種類和結(jié)構(gòu)

MOSFET管是FET的一種（另一種是JFET），可以被制造成增強(qiáng)型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)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(duì)于這兩種增強(qiáng)型MOS管，比較常用的是NMOS.

原因是導(dǎo)通電阻小，且容易制造。

所以開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，一般都用NMOS.下面的介紹中，也多以NMOS為主。

MOS管的三個(gè)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(chǎn)生的。寄生電容的存在使得在設(shè)計(jì)或選擇驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候要麻煩一些，但沒有辦法避免，后邊再詳細(xì)介紹。

在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個(gè)寄生二極管。這個(gè)叫體二極管，在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載（如馬達(dá)），這個(gè)二極管很重要。

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

2、MOS管導(dǎo)通特性

導(dǎo)通的意思是作為開關(guān)，相當(dāng)于開關(guān)閉合。

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)），只要柵

極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。

但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS.

3、MOS開關(guān)管損失

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

選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗。現(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。

MOS在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，一定不是在瞬間完成的。

MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過程，流過的電流有一個(gè)上升的過程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關(guān)損失。

通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開關(guān)頻率越快，損失也越大。

導(dǎo)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(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失；

降低開關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。

這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。

4、MOS管驅(qū)動(dòng)

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

在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到，在GS,GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。

對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流，因?yàn)閷?duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會(huì)比較大。

選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。

而在進(jìn)行MOSFET的選擇時(shí)，因?yàn)镸OSFET有兩大類型：N溝道和P溝道。

在功率系統(tǒng)中，MOSFET可被看成電氣開關(guān)。

當(dāng)在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時(shí)，其開關(guān)導(dǎo)通。

導(dǎo)通時(shí)，電流可經(jīng)開關(guān)從漏極流向源極。

漏極和源極之間存在一個(gè)內(nèi)阻，稱為導(dǎo)通電阻RDS（ON）。

必須清楚MOSFET的柵極是個(gè)高阻抗端，因此，總是要在柵極加上一個(gè)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(shè)計(jì)意圖工作，并可能在不恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻導(dǎo)通或關(guān)閉，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。當(dāng)源極和柵極間的電壓為零時(shí)，開關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過器件。雖然這時(shí)器件已經(jīng)關(guān)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(shè)計(jì)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(yīng)用中，當(dāng)一個(gè)MOSFET接地，而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí)，該MOSFET就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中，應(yīng)采用N溝道MOSFET,這是出于對(duì)關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)MOSFET連接到總線及負(fù)載接地時(shí)，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會(huì)在這個(gè)拓?fù)渲胁捎肞溝道MOSFET,這也是出于對(duì)電壓驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)而定，該額定電流應(yīng)是負(fù)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(shè)計(jì)人員必須確保所選的MOSFET能承受這個(gè)額定電流，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時(shí)。兩個(gè)考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。

在連續(xù)導(dǎo)通模式下，MOSFET處于穩(wěn)態(tài)，此時(shí)電流連續(xù)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(gè)最大電流的器件便可。

選好額定電流后，還必須計(jì)算導(dǎo)通損耗。在實(shí)際情況下，MOSFET并不是理想的器件，因?yàn)樵趯?dǎo)電過程中會(huì)有電能損耗，這稱之為導(dǎo)通損耗。MOSFET在“導(dǎo)通”時(shí)就像一個(gè)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(jì)算，由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會(huì)隨之按比例變化。對(duì)MOSFET施加的電壓VGS越高，RDS（ON）就會(huì)越小；反之RDS（ON）就會(huì)越高。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權(quán)衡的地方。對(duì)便攜式設(shè)計(jì)來說，采用較低的電壓比較容易（較為普遍），而對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)，可采用較高的電壓。注意RDS（ON）電阻會(huì)隨著電流輕微上升。關(guān)于RDS（ON）電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。

第三步：確定熱要求

選擇MOSFET的下一步是計(jì)算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)計(jì)人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對(duì)最壞情況的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會(huì)失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測(cè)量數(shù)據(jù)；比如封裝器件的半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結(jié)溫。

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

通常，一個(gè)PMOS管，會(huì)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(duì)于PMOS而言，比起NMOS的優(yōu)勢(shì)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(dǎo)通條件要求VGS要大于閾值，這將導(dǎo)致控制電壓必然大于所需的電壓，會(huì)出現(xiàn)不必要的麻煩。選用PMOS作為控制開關(guān)，有下面兩種應(yīng)用：

第一種應(yīng)用，由PMOS來進(jìn)行電壓的選擇，當(dāng)V8V存在時(shí)，此時(shí)電壓全部由V8V提供，將PMOS關(guān)閉，VBAT不提供電壓給VSIN,而當(dāng)V8V為低時(shí)，VSIN由8V供電。注意R120的接地，該電阻能將柵極電壓穩(wěn)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(tài)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(shí)際上該電路的DS接反，這樣由附生二極管導(dǎo)通導(dǎo)致了開關(guān)管的功能不能達(dá)到，實(shí)際應(yīng)用要注意。

來看這個(gè)電路，控制信號(hào)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(tài)，將R113上拉為高，截至PMOS,同時(shí)也可以看作是對(duì)控制信號(hào)的上拉，當(dāng)MCU內(nèi)部管腳并沒有上拉時(shí)，即輸出為開漏時(shí)，并不能驅(qū)動(dòng)PMOS關(guān)閉，此時(shí)，就需要外部電壓給予的上拉，所以電阻R113起到了兩個(gè)作用。R110可以更小，到100歐姆也可。

另外，我們?cè)賮鞰OS管的開關(guān)特性

一、靜態(tài)特性

MOS管作為開關(guān)元件，同樣是工作在截止或?qū)▋煞N狀態(tài)。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(tài)。

工作特性如下：

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

※ uGS>開啟電壓UT:MOS管工作在導(dǎo)通區(qū)，漏源電流iDS=UDD/（RD+rDS）。其中，rDS為MOS管導(dǎo)通時(shí)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(tài)，其等效電路如上圖（c）所示。

二、動(dòng)態(tài)特性

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

NMOS管動(dòng)態(tài)特性示意圖

當(dāng)輸入電壓ui由高變低，MOS管由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，電源UDD通過RD向雜散電容CL充電，充電時(shí)間常數(shù)τ1=RDCL.所以，輸出電壓uo要通過一定延時(shí)才由低電平變?yōu)楦唠娖剑划?dāng)輸入電壓ui由低變高，MOS管由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，雜散電容CL上的電荷通過rDS進(jìn)行放電，其放電時(shí)間常數(shù)τ2≈rDSCL.可見，輸出電壓Uo也要經(jīng)過一定延時(shí)才能轉(zhuǎn)變成低電平。但因?yàn)閞DS比RD小得多，所以，由截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換時(shí)間比由導(dǎo)通到截止的轉(zhuǎn)換時(shí)間要短。

由于MOS管導(dǎo)通時(shí)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(shí)間較長(zhǎng)，使MOS管的開關(guān)速度比晶體三極管的開關(guān)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(guān)速度。
來源：網(wǎng)絡(luò)，如侵刪

作者: nong1001 時(shí)間: 2018-8-7 23:27
挺有用的

作者: join22life 時(shí)間: 2019-10-8 10:48
收藏，多謝分享

作者: shidonshen 時(shí)間: 2019-10-9 10:17
學(xué)習(xí)了，多謝

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