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如何通过仅使用二极管保护电路?

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当你颠倒设备电源的极性时,可能会发生不好的事情。交换正负电源线可能是“让烟雾排出”PCB的主要方法,这实际上是比引起某种微妙损坏导致复杂或间歇性故障的更好方案。在测试和开发阶段也可能发生反极性。通常将设备设计为能够防止最终用户错误地插入电源线,但即使是最细心的人也可能偶尔插入电池而不查看极性图....

我更倾向于使用任何可用的方法来实现物理上不可能的反极性,但最重要的是该设备永远不会真正安全,除非电路本身能够承受反向电源电压。在本文中,我们将研究两种简单而高效的方法,使您的电路能够抵抗电源极性故障。

 

用二极管反极性保护

是的,你需要的只是一个二极管。这确实有效,但当然更复杂的解决方案可以提供卓越的性能。

这里的想法是将二极管与电源线串联。

 

 

如果您不熟悉这种技术,最初可能看起来有点奇怪:二极管可以改变施加电压的极性吗?它能真正“隔离”下游电路与施加的电压吗?

它当然不能“消除”反向极性,但它可以将电路的其余部分与这种情况隔离,因为当阴极电压高于阳极电压时它不会传导电流。因此,在反极性情况下,损坏的反向电流不能流动,并且负载两端的电压与反向电源电压不同,因为二极管的功能类似于开路。

上面显示的LTspice原理图允许我们研究基于二极管IC的保护电路的瞬态和稳态行为。电源电压最初为0 V,然后突然变为-3 V.我的想法是模拟错误插入两节1.5 V电池(或一节3 V电池)的影响。模拟包括负载电阻(对应于消耗约3 mA的电路)和负载电容(对应于少数IC的去耦电容)。

 

 

您可以看到一些反向(即阴极 - 阳极)电流确实流过二极管。瞬态电流非常小,长期电流微乎其微。然而,电流是流动的,因此阴极侧不是完全浮动的; 相反,负载电路上的反向电压非常小。但这不是稳态条件。如果我们将模拟扩展到300毫秒,我们会看到以下内容:

 

 

因此,当负载电容充电并变为开路时,电流降至零(或更确切地说,根据LTspice,为0.001毫微安),因此负载两端没有反向电压。这里的结论是二极管并不完美,但就我而言,它足够接近,因为我无法想象任何真实的电路会受到几百微伏反极性的~100 ms的负面影响。

 

优点和缺点

到目前为止,这个电路的优点应该是明确的:它便宜,非常简单,高效。但是,肯定有一些缺点需要考虑:

  • 在正常操作期间,二极管降低其典型值~0.6 V。这可能是电源电压的重要部分,并且随着电池电压降低,器件可能会过早停止工作。

  • 任何在其上产生电压降的组件和流过它的电流都会消耗功率。如果耗散的能量来自电池,则二极管会缩短电池寿命。在具有极低的反极性风险的设备中,这可能不是可接受的权衡。

 

用肖特基二极管反极性保护

减轻上述两个缺点的简单方法是使用肖特基二极管代替普通二极管。这种方法可以降低电压损耗和功耗。我不确定肖特基二极管有多低,但在某些情况下,正向电压可能低于300 mV。

这是新的模拟电路:

 

 

以下规格为您提供BAT54二极管的正向电压特性示例:

 

 

下面是基于肖特基的反极性保护电路的瞬态和稳态响应图。

 

 

您可以看到负载两端的反向电流和反向电压远大于我们在非肖特基二极管中观察到的电压。这种较高的反向漏电流是肖特基二极管的已知缺点,但在该特定应用中,反向电流仍然远低于引起严重关注的任何情况。因此,当涉及反极性保护时,肖特基二极管绝对是首选。

 

结论

我们已经看到,单个二极管是将反极性保护结合到器件电源电路中的一种非常有效的方法。肖特基二极管具有较低的正向电压,因此通常是比普通二极管更好的选择。