MOSFET 反接保護(hù)電路

如果電路的電源接反，例如將正極線(xiàn)接到地，負(fù)極線(xiàn)接到電路的Vcc。可能會(huì)發(fā)生兩件壞事，要么我們?cè)O(shè)計(jì)的電路連同其中所有昂貴的組件一起被燒毀，要么電源本身被毀壞。如果電路由電池供電，事情會(huì)變得更加危險(xiǎn)。反轉(zhuǎn)電池的極性是電路中可能發(fā)生的最糟糕的事情，因?yàn)樗粌H會(huì)損壞電路，還會(huì)導(dǎo)致冒煙和起火，從而成為潛在的威脅。

但是可能會(huì)發(fā)生人為錯(cuò)誤，因此設(shè)計(jì)人員有責(zé)任確保他的電路能夠安全地處理反極性條件。這就是為什么幾乎所有的電路在其輸入端都有一個(gè)額外的安全電路，稱(chēng)為反極性保護(hù)電路。在本文中，我們將討論一種MOSFET極性保護(hù)電路，它可以非常有效地保護(hù)電路免受反極性相關(guān)的損壞。該電路還可用作電池極性保護(hù)電路，因此即使由外部直流適配器或電池供電，也可使用相同的設(shè)計(jì)指南來(lái)保護(hù)您的電路。

保護(hù)電路免受反極性影響

有幾種選擇可以保護(hù)電路免受反極性影響。大多數(shù)時(shí)候，電池供電設(shè)備使用特殊類(lèi)型的電池連接器，不允許電池連接器以相反的順序連接。這是一種機(jī)械上可能的電池反極性保護(hù)。另一種選擇是在電源軌中使用肖特基二極管，但這是保護(hù)電路免受反極性影響的最低效方法。

使用肖特基二極管進(jìn)行極性保護(hù)及其缺點(diǎn)

在下圖中，肖特基二極管與電源軌串聯(lián)使用，在反極性條件下會(huì)產(chǎn)生反向偏置并斷開(kāi)電路。我們之前也曾在上一篇文章的二極管應(yīng)用部分討論過(guò)這個(gè)問(wèn)題。

左圖是極性正確連接，右圖是極性反接的情況。在反極性連接期間，肖特基二極管會(huì)阻止電流流動(dòng)。

但是，由于負(fù)載電流恒定流過(guò)肖特基二極管，上述電路效率低下。此外，由于二極管的正向壓降，肖特基二極管輸出端的電壓小于輸入電壓。因此，通過(guò)使用上述方法，它可以保護(hù)電路免受反極性保護(hù)，但效率不高。

制作反極性保護(hù)電路的正確方法是使用簡(jiǎn)單的 PMOS MOSFET 或 NMOS MOSFET。建議使用 PMOS，因?yàn)?PMOS 會(huì)切斷正軌，電路不會(huì)獲得任何電壓，如果電路在高直流電壓下工作，則產(chǎn)生有害后果的可能性較小。

用于反向電壓保護(hù)的 PMOS MOSFET

場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 是一種晶體管，它使用電場(chǎng)來(lái)控制通過(guò)它的電流。FET是具有源極、柵極和漏極三個(gè)端子的器件。FET 通過(guò)向柵極施加電壓來(lái)控制電流流動(dòng)，進(jìn)而改變漏極和源極之間的導(dǎo)電性。這是在 P-MOSFET 中用作反極性保護(hù)開(kāi)關(guān)的基本部件。

下圖為PMOS反接保護(hù)電路。

PMOS 用作電源開(kāi)關(guān)，將負(fù)載與電源連接或斷開(kāi)。在正確連接電源期間，MOSFET 由于正確的 VGS(柵極到源極電壓)而導(dǎo)通。但在反極性情況下，柵極到源極電壓太低而無(wú)法導(dǎo)通 MOSFET 并將負(fù)載與輸入電源斷開(kāi)。

100R 電阻是與齊納二極管相連的MOSFET 柵極電阻。齊納二極管保護(hù)柵極免受過(guò)壓。

Orcad PSPICE 中的實(shí)際仿真

上述電路具有反極性保護(hù)所需的所有組件。V1 是完全極性的源。P 溝道 MOSFET 從電阻 100R 和 6.8V 齊納二極管 1N4099 獲得偏置。Load是一個(gè)10R的電阻。

仿真顯示電路在正確的電源極性下正常工作。齊納二極管保護(hù)柵極免受過(guò)電壓影響，負(fù)載在 13.9V 時(shí)獲得 1.3A。

在上圖中，源是顛倒的。負(fù)載完全關(guān)閉，電路充當(dāng)反極性保護(hù)器。

選擇用于反極性保護(hù)的 MOSFET

建議使用 PMOS 而不是 NMOS。這是因?yàn)?PMOS 用于電路的正軌而不是負(fù)軌。因此，PMOS 切斷了正軌，電路將沒(méi)有任何正電壓。但是，NMOS 用于負(fù)軌，因此斷開(kāi)負(fù)軌不會(huì)斷開(kāi)電路與電池正軌的連接。因此，在高壓直流的情況下，斷開(kāi)正軌比斷開(kāi)負(fù)軌安全得多，并且不會(huì)發(fā)生短路、觸電等有害后果的可能性更小。

元件選擇是該電路的重要組成部分。主要元件是P溝道MOSFET。

MOSFET 具有以下對(duì)電路至關(guān)重要的規(guī)格。

漏源電阻 (RDS)

漏電流

漏源電壓

漏源電阻 (RDS)：

RDS 是漏源電阻。使用極低的 RDS(漏源電阻)以實(shí)現(xiàn)低散熱和極低的輸出壓降。更高的 RDS 將產(chǎn)生更高的熱耗散。

漏極電流：

這是通過(guò) MOSFET 的最大電流。因此，如果負(fù)載電路需要 2A 電流，請(qǐng)選擇能夠承受該電流的 MOSFET。在這種情況下，漏極電流為3A的Mosfet將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。選擇比實(shí)際需要大的參數(shù)。

漏源電壓：

MOSFET 的漏源電壓需要高于電路電壓。如果電路需要最大 30V 的電壓，則需要漏源電壓為 50V 的 MOSFET 才能安全運(yùn)行。始終選擇大于實(shí)際需要的參數(shù)。

反接時(shí)，MOSFET會(huì)因Vgs不足而關(guān)斷，對(duì)負(fù)載電路和MOSFET都沒(méi)有影響。以上參數(shù)在正常情況下都是需要的，需要慎重選擇。

齊納二極管電壓的選擇：

每個(gè) MOSFET 都帶有一個(gè) Vgs(柵極到源極電壓)。如果柵極到源極電壓增加超過(guò)最大額定值，這可能會(huì)損壞 MOSFET 柵極。因此，選擇一個(gè)不會(huì)超過(guò) MOSFET 柵極電壓的齊納二極管電壓。對(duì)于 10V 的 Vgs，9.1V 齊納二極管就足夠了。確保柵極電壓不應(yīng)超過(guò)最大額定電壓。

電阻值的選擇方式不應(yīng)太高以免齊納二極管過(guò)熱，但又要足夠低以提供足夠的齊納偏置電流并在電源電壓突然反轉(zhuǎn)時(shí)迅速對(duì)柵極放電。因此，這里是柵極放電時(shí)間和齊納偏置之間的權(quán)衡。在大多數(shù)情況下，如果電路中有可能出現(xiàn)突然的反向電壓，100R-330R 是好的。但如果在電路連續(xù)工作的過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)突然的反向電壓，則可以使用 1k-50k 電阻值的任何值。

MOSFET反接保護(hù)電路的缺點(diǎn)

該電路的主要缺點(diǎn)是 MOSFET 的功耗。然而，這可以使用具有毫歐 RDS 導(dǎo)通電阻的 P 溝道 MOSFET 來(lái)解決。

審核編輯：湯梓紅