119月 2018

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常用极性反接保护电路

硬件设计 by xfire

写这篇文章,是因为今天老wu实验室里出状况了,新做的一块DEMO板子,让新来的女助理帮忙做功能性测试,妹纸把板子拿进去没多久,实验室就传来一声「啪」!的巨响,然后紧接的便是妹纸的一声尖叫「キャー」!!!好吧,现在的95后妹纸叫声都这么特别的?搞不清楚状况的老wu连忙跑了进去!

实验室里弥漫这一股熟悉而又难闻的焦味,得!炸机了!难道DEMO板焊接的有问题?安抚了妹纸的情绪之后,老wu拿起了PCB检查问题。

好家伙,一再强调「红正黑负」「红正黑负」咋还是搞错电源正负极了呢?DEMO板上也没有加接反保护,不炸机才怪!

好吧,不怪你,我忘了「红正黑负」「红正黑负」在你这里不管用的,天生免疫,😂

由于是DEMO验证板,所以PCB上没有加极性接反保护,但正常的产品,我们是一定要做极性反接保护的,你永远不知道你的产品用户是萌妹纸还是暴力怪蜀黍。

通常我们的电子产品,为了防止用户将正负极接反,电源接口都会做防呆处理,比如接口做成梯形或者开个缺口,反了不容易插进,但你真的永远不知道你的产品用户是萌妹纸还是暴力怪蜀黍,最终,这些防接反设计还是被突破了,被暴力插了进去…插进去了…对于一些工控类产品,更是只提供接线端子的方式,虽然在外壳和端子上有标识出正负极,但总难免用户出现粗心大意的时候。

为了更大限度的保护我们的产品,我们还需要在PCB的电源输入部分提供极性防接反保护电路。

一些常用的电源极性防接反保护电路:

串接二极管

在电源输入接口处串接整流二极管是最为简单有效的解决方案,其优点是电路简单和成本低廉,只需要一枚二极管。但缺点是二极管有一定的压降(一般整流二极管的压降为0.8V),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。

当然,我们也可以采用肖特基二极管,肖特基二极管具有较低的电压降(通常约为0.6V)。但是使用肖特基时存在一个潜在的问题。 它们具有更多的反向电流泄漏,因此它们可能无法提供足够的保护,尽量避免使用肖特基二极管进行反向保护。

为了简化保护电路并降低二极管的损耗,可以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,当然,这样依然会造成电路板需要维修问题,为了提高可靠性,可以在二极管前面再串一个自恢复保险,当输入电压极性反向时,自恢复保险流过的电流过大将会熔断,避免了保护二极管的烧毁,当然,自恢复保险熔断需要一定的响应实现,大概100ms左右,这时候二极管本身存在过电流损坏的风险,所有这里最好选择功率二极管。

桥式整流器

既然串接二极管在电源极性接反时,由于二极管是截止的,电路系统是不工作的,可以采用桥式整流器,这样不论什么极性都可以正常工作,但是有两个二极管导通,功耗是单一整流二极管的两倍.

增强型NMOS管保护电路

该方法利用了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。

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。

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。

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