极性校正电路保护电池供电设备

出处:维库电子市场网时间:2024-08-21
  它的电源电压范围有限(1.8-5.5V),内部电阻稍高,这限制了它只能应用于电流负载适中的产品,不超过 30 mA。幸运的是,由于 MOSFET 技术取得了一些重大进展,这些限制现在可以克服。

  图 1说明了如何使用 P 通道 MOSFET 晶体管保护负载免受电池反极性的影响。通常,要打开 P 通道 MOSFET,您需要在其控制栅极-源极结上施加适当的电压(栅极端为负电位,源极端为正电位)。图 1 所示的 P 通道 MOSFET 连接方式略有不同,其工作原理如下。

  极性校正电路 P 沟道 MOSFET
  图 1该电路使用 P 通道 MOSFET 保护负载免受电池反接损坏。
  当电源接通 A 和 B 端子(A 为正极,B 为负极)时,晶体管的内部二极管 D1 正向偏置,为 Q1 提供控制栅极至源极电压,从而使其导通。MOSFET 的低电阻充当二极管 D1 的分流器,并将电流馈送到负载。
  当电池反接时,电压加到A、B两极(此时A为负极,B为正极),晶体管内部二极管D1反向偏置,Q1栅极-源极电压为0,结果Q1晶体管截止,负载没有电流。
  换句话说,该电路中的 P 沟道 MOSFET Q1 表现得像一个二极管(即虚拟的“D2”),具有非常低的正向阈值电压。N 沟道 MOSFET 可以以类似的方式使用(图 2)。

  极性校正电路 N 沟道 MOSFET

  图 2该电路使用 N 沟道 MOSFET 保护负载免受电池反接损坏。
  当 A 端为正,B 端为负时,晶体管的内部二极管 D1 获得正向偏置,并提供 Q1 的控制栅极至漏极电压,从而使其导通。MOSFET 的低电阻分流 D1 二极管,从而将电流馈送到负载。
  当电源反向加到A、B端子(A为负极,B为正极)时,晶体管内部二极管D1反向偏置,栅极-源极电压等于0,MOSFET Q1关闭,负载没有电流。

  图 1 和图 2 所示的电路可用于代替普通的二极管反极性保护来保护负载免受电池反接的影响,但如果电池安装反接则无法为负载供电。

  极性校正电路
  图 3该电路无论安装什么电池,都可以为负载供电。
  当电池按照图 3所示安装时,正电位通过 P 沟道晶体管 Q2 的正向偏置内部二极管 D2 施加到其源极。这使 Q2 的栅极处于电池负极的电位,从而使其导通。电池的负极通过 N 沟道晶体管 Q3 的正向偏置内部二极管 D3 连接到 N 沟道晶体管 Q3 的源极。在这些条件下,Q3 导通,因为其栅极处于电池正极的电位。总而言之,当电池处于这种方向时,Q2 和 Q3 处于活动状态,并将电池电压传送到负载,而 Q1 和 Q4 保持关闭。
  在下一个场景中,电池以相反的方向安装。现在,正电位通过其正向偏置的内部二极管 D4 施加到 P 沟道晶体管 Q4 的源极。由于 Q4 的栅极处于电池负极的电位,因此它导通。Q1 的内部二极管 D1 正向偏置,允许它将电池负极的电位施加到 N 沟道晶体管 Q1 的源极。由于 Q1 的栅极处于电池正极的电位,因此 Q1 导通。由于 Q1 和 Q4 都导通,因此电池连接到负载,而 Q2 和 Q3 则关闭。
  请注意,此设计包含一项安全功能,该功能利用了 MOSFET 的内部二极管。晶体管 Q1-Q4 中的二极管连接起来形成全桥整流器。如果 MOSFET 无法工作,二极管桥仍可整流输入,从而为负载提供正确极性的电源。
  图 3 所示的电路适用于相对较低的电压,不超过 N 通道和 P 通道 MOSFET 的允许栅极-源结,通常为 ±15-20V。对于需要更高电池电压的应用,应修改图 3 中的电路以保护 MOSFET 的栅极-源结,如图4所示。

  极性校正电路 MOSFET 保护

  图 4 MOSFET 栅极-源极结的保护。
  该电路增加了齐纳二极管 D5 -D8 来保护 MOSFET 的栅极-源极结。电阻器 R1 和 R2 提供电流限制。在大多数情况下,D5 - D8 的 V齐纳(反向击穿电压) 值应在 12 至 13V 之间。这足以打开 MOSFET,提供其 R ds-on值。R1 和 R2 (R1=R2=R) 的值可以按如下方式计算:
  R = (V batt – R ds-on x I load – V zener )/I zen,
  其中,V batt是电池电压,R ds-on是导通 MOSFET 的漏源电阻,I load是负载电流,V zener是齐纳二极管的反向击穿电压,I zen是齐纳二极管的工作电流。
  注意: Maxim 器件在 +3V 电源时引入 11 欧姆(2×5.5 欧姆)的串联电阻,在 +5V 电源时引入 8 欧姆(2×4 欧姆)的串联电阻。
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