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【转帖】几种常用的防反接保护电路

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1,通常情况下直流电源输入防反接保护电路是利用二极管的单向导电性来实现防反接保护。如下图1示:

这种接法简单可靠,但当输入大电流的情况下功耗影响是非常大的。以输入电流额定值达到2A,如选用Onsemi的快速恢复二极管 MUR3020PT,额定管压降为0.7V,那么功耗至少也要达到:Pd=2A×0.7V=1.4W,这样效率低,发热量大,要加散热器。

2,另外还可以用二极管桥对输入做整流,这样电路就永远有正确的极性(图2)。这些方案的缺点是,二极管上的压降会消耗能量。输入电流为2A时,图1中的电路功耗为1.4W,图2中电路的功耗为2.8W。

图1,一只串联二极管保护系统不受反向极性影响,二极管有0.7V的压降

图2 是一个桥式整流器,不论什么极性都可以正常工作,但是有两个二极管导通,功耗是图1的两倍

MOS管型防反接保护电路

图3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。

具体N沟道MOS管防反接保护电路电路如图3示

图3. NMOS管型防反接保护电路

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。

NMOS管接在电源的负极,栅极高电平导通。

PMOS管接在电源的正极,栅极低电平导通。

一般情况下普遍用于高端驱动的MOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。

而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,

所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V.如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该

选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管。

MOS管是电压驱动,按理说只要栅极电压到到开启电压就能导通DS,栅极串多大电阻均能导通。

但如果要求开关频率较高时,栅对地或VCC可以看做是一个电容,对于一个电容来说,串的电阻越大,栅极达到导通电压时间越长,MOS处于半导通状态时间也越长,在半导通状态内阻较大,发热也会增大,极易损坏MOS,所以高频时栅极栅极串的电阻不但要小,一般要加前置驱动电路的。下面我们先来了解一下MOS管开关的基础知识。

1、MOS管种类和结构

MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET),可以被制造成增强型或耗尽型,P沟道或N沟道共4种类型,但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是这两种。

至于为什么不使用耗尽型的MOS管,不建议刨根问底。

对于这两种增强型MOS管,比较常用的是NMOS.

原因是导通电阻小,且容易制造。

所以开关电源和马达驱动的应用中,一般都用NMOS.下面的介绍中,也多以NMOS为主。

MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在,这不是我们需要的,而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些,但没有办法避免,后边再详细介绍。

在MOS管原理图上可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管,在驱动感性负载(如马达),这个二极管很重要。

顺便说一句,体二极管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的。

2、MOS管导通特性

导通的意思是作为开关,相当于开关闭合。

NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅

极电压达到4V或10V就可以了。

PMOS的特性,Vgs小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。

但是,虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS.

3、MOS开关管损失

不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗。

选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧的也有。

MOS在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的。

MOS两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损失。

通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越快,损失也越大。

导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大。

缩短开关时间,可以减小每次导通时的损失;

降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。

这两种办法都可以减小开关损失。

4、MOS管驱动

跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了。这个很容易做到,但是,我们还需要速度。

在MOS管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。

对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。

选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。

而在进行MOSFET的选择时,因为MOSFET有两大类型:N沟道和P沟道。

在功率系统中,MOSFET可被看成电气开关。

当在N沟道MOSFET的栅极和源极间加上正电压时,其开关导通。

导通时,电流可经开关从漏极流向源极。

漏极和源极之间存在一个内阻,称为导通电阻RDS(ON)。

必须清楚MOSFET的栅极是个高阻抗端,因此,总是要在栅极加上一个电压。

这就是后面介绍电路图中栅极所接电阻至地。如果栅极为悬空,器件将不能按设计意图工作,并可能在不恰当的时刻导通或关闭,导致系统产生潜在的功率损耗。当源极和栅极间的电压为零时,开关关闭,而电流停止通过器件。虽然这时器件已经关闭,但仍然有微小电流存在,这称之为漏电流,即IDSS.

第一步:选用N沟道还是P沟道

为设计选择正确器件的第一步是决定采用N沟道还是P沟道MOSFET.在典型的功率应用中,当一个MOSFET接地,而负载连接到干线电压上时,该MOSFET就构成了低压侧开关。在低压侧开关中,应采用N沟道MOSFET,这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当MOSFET连接到总线及负载接地时,就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用P沟道MOSFET,这也是出于对电压驱动的考虑。

第二步:确定额定电流

第二步是选择MOSFET的额定电流。视电路结构而定,该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似,设计人员必须确保所选的MOSFET能承受这个额定电流,即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰。

在连续导通模式下,MOSFET处于稳态,此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流,只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。

选好额定电流后,还必须计算导通损耗。在实际情况下,MOSFET并不是理想的器件,因为在导电过程中会有电能损耗,这称之为导通损耗。MOSFET在“导通”时就像一个可变电阻,由器件的RDS(ON)所确定,并随温度而显着变化。器件的功率耗损可由Iload2×RDS(ON)计算,由于导通电阻随温度变化,因此功率耗损也会随之按比例变化。对MOSFET施加的电压VGS越高,RDS(ON)就会越小;反之RDS(ON)就会越高。对系统设计人员来说,这就是取决于系统电压而需要折中权衡的地方。对便携式设计来说,采用较低的电压比较容易(较为普遍),而对于工业设计,可采用较高的电压。注意RDS(ON)电阻会随着电流轻微上升。关于RDS(ON)电阻的各种电气参数变化可在制造商提供的技术资料表中查到。

第三步:确定热要求

选择MOSFET的下一步是计算系统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况,即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果,因为这个结果提供更大的安全余量,能确保系统不会失效。在MOSFET的资料表上还有一些需要注意的测量数据;比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻,以及最大的结温。

器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积(结温=最大环境温度+[热阻×功率耗散])。根据这个方程可解出系统的最大功率耗散,即按定义相等于I2×RDS(ON)。由于设计人员已确定将要通过器件的最大电流,因此可以计算出不同温度下的RDS(ON)。值得注意的是,在处理简单热模型时,设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/环境的热容量;即要求印刷电路板和封装不会立即升温。

通常,一个PMOS管,会有寄生的二极管存在,该二极管的作用是防止源漏端反接,对于PMOS而言,比起NMOS的优势在于它的开启电压可以为0,而DS电压之间电压相差不大,而NMOS的导通条件要求VGS要大于阈值,这将导致控制电压必然大于所需的电压,会出现不必要的麻烦。选用PMOS作为控制开关,有下面两种应用:

第一种应用,由PMOS来进行电压的选择,当V8V存在时,此时电压全部由V8V提供,将PMOS关闭,VBAT不提供电压给VSIN,而当V8V为低时,VSIN由8V供电。注意R120的接地,该电阻能将栅极电压稳定地拉低,确保PMOS的正常开启,这也是前文所描述的栅极高阻抗所带来的状态隐患。D9和D10的作用在于防止电压的倒灌。D9可以省略。这里要注意到实际上该电路的DS接反,这样由附生二极管导通导致了开关管的功能不能达到,实际应用要注意。

来看这个电路,控制信号PGC控制V4.2是否给P_GPRS供电。此电路中,源漏两端没有接反,R110与R113存在的意义在于R110控制栅极电流不至于过大,R113控制栅极的常态,将R113上拉为高,截至PMOS,同时也可以看作是对控制信号的上拉,当MCU内部管脚并没有上拉时,即输出为开漏时,并不能驱动PMOS关闭,此时,就需要外部电压给予的上拉,所以电阻R113起到了两个作用。R110可以更小,到100欧姆也可。

另外,我们再来MOS管的开关特性

一、静态特性

MOS管作为开关元件,同样是工作在截止或导通两种状态。由于MOS管是电压控制元件,所以主要由栅源电压uGS决定其工作状态。

工作特性如下:

二、动态特性

MOS管在导通与截止两种状态发生转换时同样存在过渡过程,但其动态特性主要取决于与电路有关的杂散电容充、放电所需的时间,而管子本身导通和截止时电荷积累和消散的时间是很小的。下图(a)和(b)分别给出了一个NMOS管组成的电路及其动态特性示意图。