電路設(shè)計指南：用于反向電壓極性保護的PMOS MOSFET

MOSFET 反接保護電路

如果電路的電源接反，例如將正極線接到地，負極線接到電路的Vcc?？赡軙l(fā)生兩件壞事，要么我們設(shè)計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，事情會變得更加危險。反轉(zhuǎn)電池的極性是電路中可能發(fā)生的最糟糕的事情，因為它不僅會損壞電路，還會導致冒煙和起火，從而成為潛在的威脅。

但是可能會發(fā)生人為錯誤，因此設(shè)計人員有責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額外的安全電路，稱為反極性保護電路。在本文中，我們將討論一種MOSFET極性保護電路，它可以非常有效地保護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)計指南來保護您的電路。

保護電路免受反極性影響

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

使用肖特基二極管進行極性保護及其缺點

在下圖中，肖特基二極管與電源軌串聯(lián)使用，在反極性條件下會產(chǎn)生反向偏置并斷開電路。我們之前也曾在上一篇文章的二極管應用部分討論過這個問題。

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，肖特基二極管會阻止電流流動。

但是，由于負載電流恒定流過肖特基二極管，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，通過使用上述方法，它可以保護電路免受反極性保護，但效率不高。

制作反極性保護電路的正確方法是使用簡單的 PMOS MOSFET 或 NMOS MOSFET。建議使用 PMOS，因為 PMOS 會切斷正軌，電路不會獲得任何電壓，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。

用于反向電壓保護的 PMOS MOSFET

場效應晶體管 (FET) 是一種晶體管，它使用電場來控制通過它的電流。FET是具有源極、柵極和漏極三個端子的器件。FET 通過向柵極施加電壓來控制電流流動，進而改變漏極和源極之間的導電性。這是在 P-MOSFET 中用作反極性保護開關(guān)的基本部件。

下圖為PMOS反接保護電路。

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

100R 電阻是與齊納二極管相連的MOSFET 柵極電阻。齊納二極管保護柵極免受過壓。

Orcad PSPICE 中的實際仿真

上述電路具有反極性保護所需的所有組件。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。齊納二極管保護柵極免受過電壓影響，負載在 13.9V 時獲得 1.3A。

在上圖中，源是顛倒的。負載完全關(guān)閉，電路充當反極性保護器。

選擇用于反極性保護的 MOSFET

建議使用 PMOS 而不是 NMOS。這是因為 PMOS 用于電路的正軌而不是負軌。因此，PMOS 切斷了正軌，電路將沒有任何正電壓。但是，NMOS 用于負軌，因此斷開負軌不會斷開電路與電池正軌的連接。因此，在高壓直流的情況下，斷開正軌比斷開負軌安全得多，并且不會發(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 MOSFET 的最大電流。因此，如果負載電路需要 2A 電流，請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將是一個不錯的選擇。選擇比實際需要大的參數(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 才能安全運行。始終選擇大于實際需要的參數(shù)。

反接時，MOSFET會因Vgs不足而關(guān)斷，對負載電路和MOSFET都沒有影響。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 MOSFET 都帶有一個 Vgs(柵極到源極電壓)。如果柵極到源極電壓增加超過最大額定值，這可能會損壞 MOSFET 柵極。因此，選擇一個不會超過 MOSFET 柵極電壓的齊納二極管電壓。對于 10V 的 Vgs，9.1V 齊納二極管就足夠了。確保柵極電壓不應超過最大額定電壓。

電阻值的選擇方式不應太高以免齊納二極管過熱，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)時迅速對柵極放電。因此，這里是柵極放電時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)工作的過程中不會出現(xiàn)突然的反向電壓，則可以使用 1k-50k 電阻值的任何值。

MOSFET反接保護電路的缺點

該電路的主要缺點是 MOSFET 的功耗。然而，這可以使用具有毫歐 RDS 導通電阻的 P 溝道 MOSFET 來解決。

審核編輯：湯梓紅