聊聊針對單片機(jī)系統(tǒng)的防反接電路

一、二極管防反接

1.1 基本電路

1.2 橋式整流電路

二、保險(xiǎn)絲和二極管防反接

三、MOS管防反接

3.1 PMOS電路

3.2 NMOS電路

結(jié)語

前言

今天我們要聊的是防反接電路，防反接電路是硬件工程師必備的基礎(chǔ)知識，在網(wǎng)上已經(jīng)有大量的防反接電路總結(jié)文章，我也查閱了大量文章。

雖然說實(shí)用的電路就那么幾種，這個可謂英雄所見略同，但是大部分文章的說明部分都一樣，那么這就……（不符合我的風(fēng)格，不浮夸，不將就。即便是總結(jié) ，原理可以一樣，但是說明照搬那就說不過去了~ ~）

說明一下， 本文的防反接電路主要針對是單片機(jī)系統(tǒng)，因?yàn)椴┲魇窃?a target="_blank">智能家居領(lǐng)域工作的，我會結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品來說說這些電路。

一、二極管防反接

又是從二極管開始（和MOS管一樣，用得這么多，我得寫一篇全面認(rèn)識二極管的文章了），利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕ú灰@牛角尖說反向漏電流）。

1.1 基本電路

直接在電源入口處串聯(lián)一個二極管，電路簡單，成本低，如下圖（本圖就是實(shí)際使用過的）：

在這里插入圖片描述

上圖是最簡單也是最常用的防反接方式，上圖是二極管接在入口 Vin 端，也可以接在GND端，二極管反著接，是一樣的效果。

電路分析

在單片機(jī)系統(tǒng)中，使用此電路 一般 一般 一般 只需要注意一個參數(shù)：最大整流電流。

首先你在設(shè)計(jì)自己電路的時候應(yīng)該知道自己的負(fù)載功率，比如一般來說 STM32 最小系統(tǒng)，也就是20/30 mA，加上其他的一些傳感器，可以知道系統(tǒng)平時運(yùn)行的功耗，要注意STM32 的功耗是3.3V狀態(tài)下的，入口電源是 5V 或者 12V，電流需要就更小了，當(dāng)然不要忘記DC/DC, 或者 LDO 的轉(zhuǎn)換效率之類的。

每個二極管都有一個參數(shù)，最大整流電流，比如上圖中的 SS34：

電路設(shè)計(jì)需要冗余，所以我一般直接使用一個SS34，基本上所有的項(xiàng)目都能滿足要求，當(dāng)然SS34封裝稍微大一點(diǎn)。

網(wǎng)上的大部分介紹這個電路的時候都說到，二極管0.7V 的壓降，2A電流或者更多電流的時候發(fā)熱之類，我怎么看？

首先，這個說法沒有錯，理論上就是這么分析的！

實(shí)際應(yīng)用我從以下幾個點(diǎn)分析：二極管的選型，二極管壓降與電流的關(guān)系，應(yīng)用領(lǐng)域。

1、二極管的選型

上圖我使用的二極管是肖特基二極管SS34，整流電流3A， 壓降 550mV@3A（不同廠家的參數(shù)會有差異），3A的時候最大壓降0.55V，不像大部分文章分析的 0.7V。

在這個方面所會導(dǎo)致的發(fā)熱會下降許多。

2、二極管壓降與電流的關(guān)系

上面說了一個參數(shù)，最大壓降 550mV@3A，實(shí)際上，如果只有幾十毫安，壓降會很小，電流越小，壓降越小，所以一般來說實(shí)際使用壓降會遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 0.55V。這又一步的降低了上面說的問題。

3、應(yīng)用領(lǐng)域

如果在單片機(jī)系統(tǒng)中，基本上很難達(dá)到 3A電流，不要說我上圖的例子是12V電源，即便是5V入口，常用的方案也不可能達(dá)到3A電流，接觸的領(lǐng)域不同，我所接觸的功耗最大的就是 4G模塊，瞬時電流也很少有達(dá)到 3A （3.3V）的，換成5V主供電也只有2A了，還是瞬時電流。所以單片機(jī)系統(tǒng)中，一般的方案都不會有那么大的電流。

其他的傳感器之類的設(shè)備，一般如果真的大功耗，廠家或者產(chǎn)品手冊都會特別說明功耗，現(xiàn)在大趨勢都是朝著低功耗方向發(fā)展的。

所以總的來說，在單片機(jī)系統(tǒng)中，不管是12~24V電源入口，還是5V電源入口，即便是使用電池的場合（能夠使用電池一般都是低功耗產(chǎn)品，低功耗產(chǎn)品的電流小，二極管的壓降會很?。?，這個電路基本都適用用。但是真的是方案面向工業(yè)領(lǐng)域或者大功率領(lǐng)域，上升到那個層次，應(yīng)該會有更加好的方式。

1.2 橋式整流電路

二級管橋式整流電路，使用4個二極管，可以使得電源不分正反，如下圖（本圖就是實(shí)際使用過的）：

上面電路可能不太直觀，不好看= =！，其實(shí)就是下圖這種：

電路分析

這個電路分析方式和上面二極管的基本電路是一樣的，網(wǎng)上的大多文章說的問題還是此電路壓降是基本電路的2倍，發(fā)熱是2倍，不實(shí)用。

其實(shí)我們根據(jù)上面對于二極管的基本分析，我們可以使用4個肖特基二極管，在單片機(jī)系統(tǒng)中使用也不是問題。但是同樣是因?yàn)?個二極管的壓降，不太適用于 5V 供電的場合。

在使用 12~24V 電源入口的單片機(jī)系統(tǒng)中比較適用，5V以及更低的電源入口不太適用。

二、保險(xiǎn)絲和二極管防反接

還是使用二極管，但是我們這次要配合保險(xiǎn)絲使用，電路圖如下（本圖是示意圖，在12V時候自己沒這么用過）：

電路分析

上圖使用了肖特基二極管，實(shí)際上這里使用普通二極管比較合適，肖特基二極管反向漏電流相對大一些。

這個電路也是很簡單的，正確連接二極管截止，電路正常；反接時候，電流通過二極管經(jīng)過保險(xiǎn)絲，整保險(xiǎn)絲電阻極地，電流很大，導(dǎo)致保險(xiǎn)絲燒壞。

本方案相對上面二極管基本電路而言，好處在于沒有了二極管的壓降，這在 12V 入口電源的系統(tǒng)中倒是無所謂的，但是在 5V 或者電池供電的場合就比較合適了。

缺點(diǎn)是接反了保險(xiǎn)絲會被燒壞。 所以在實(shí)際使用時候可以選擇自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。

實(shí)際使用

在實(shí)際項(xiàng)目中，我在使用鋰電池的產(chǎn)品上使用過這個電路：

圖中為什么會有D2，因?yàn)槭请p電源供電，防止其他電源直接加到鋰電池的正極，如果是只有電池供電，D2是可以去掉的，D2即便不去掉，就等于在 保險(xiǎn)絲和二極管防反接 的基礎(chǔ)上再加上了一個 二極管防反接的基礎(chǔ)電路，也是沒有問題的。

三、MOS管防反接

又用到MOS管了，MOS管的基礎(chǔ)請參考：

全面認(rèn)識MOS管，一篇文章就夠了

我們已經(jīng)全面學(xué)習(xí)過MOS管，它導(dǎo)通電阻低，極強(qiáng)的電流處理能力，可以做開關(guān)，使得他也能用于電路的防反接應(yīng)用中。我們下面分別來看一下使用 PMOS 和 NMOS 來實(shí)現(xiàn)的防反接電路。

3.1 PMOS電路

PMOS管接在電源的正極，電路如下圖（本圖也實(shí)際使用過）：

在這里插入圖片描述

電路分析

通過MOS管的原理和MOS管做開關(guān)電源切換電路的博文：

聊聊電源自動切換電路（常用自動切換電路總結(jié)）

我們很容易理解上面電路的工作方式：

電源正確連接時候：因?yàn)?MOS管的寄生二極管，使得模式管 S 級電壓值為 ：VIN - 寄生二極管的壓降G 級下拉到 GND，Vgs < 0，使得PMOS正常導(dǎo)通 ...

電源接反時：G極是高電平，PMOS管不導(dǎo)通。電路不工作。

使用此電路一般 也需要注意一個參數(shù)：MOS管的 ID(導(dǎo)通電流)。這不管是對PMOS，還是NMOS都需要注意。

有些小的MOS管的ID 并不是很大，比如我常用的BSS84：

這就需要根據(jù)自己的負(fù)載情況選擇合適的MOS管了，在我的《全面認(rèn)識MOS管》文章中講過MOS管的參數(shù)，可以根據(jù)手冊來選擇自己合適的MOS管，然后根據(jù)電路判斷MOS管能夠達(dá)到的 ID 能否滿足負(fù)載要求：

實(shí)際使用

在實(shí)際使用中，我們往往會有2個電阻，就是GS之間并聯(lián)的電阻，和G極串聯(lián)的電阻，一個實(shí)際使用的電路圖如下：

至于為什么需要這兩個電阻，在我的《全面認(rèn)識MOS管》文章中也有過分析，這里我們就不再分析了。

電阻的選擇沒有標(biāo)準(zhǔn)，但是在這個地方，導(dǎo)通條件 Vgs 的電壓需要根據(jù) R1 和 R2 分壓計(jì)算得來的。要保證你電路導(dǎo)通的 Vgs 所提供的 ID 能夠滿足負(fù)載要求。

上面這個實(shí)際使用電路導(dǎo)通后，R1、R2 會一直消耗電流，所以我放得比較大，但是其實(shí)我認(rèn)為，在一般單片機(jī)防反接的這種場合，即便去掉R1也是沒問題的，因?yàn)樵谶@種場合我用過不帶R1的電路。

3.2 NMOS電路

NMOS管接在電源的負(fù)極，柵極高電平導(dǎo)通，注意GS的方向，寄生二極管應(yīng)該是反接，即是NMOS的D極連接至電源入口。

電路分析

NMOS會破壞地回路,所以其實(shí)我基本沒用過 = =！

根據(jù)我們所學(xué)的MOS管知識，也可以很好的理解這個電路，但是我們還是簡單分析一下：

電源正確連接時候：電壓經(jīng)過R2、R1，R1與R2分壓后其GS極電壓大于MOS導(dǎo)通電壓Vgs（通過寄二極管到電源負(fù)極可以形成回路），MOS導(dǎo)通。

電源接反時：寄生二極管截止，沒有回路形成，沒有電壓，MOS管不導(dǎo)通。

其他的細(xì)節(jié)問題和上面的 PMOS 管一致。

使用MOS管電路防反接，解決了二極管存在的壓降問題，但是電路相對二極管來說復(fù)雜一些，成本也高一點(diǎn)。

結(jié)語

本文結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)，聊了聊大家都熟悉的常用防反接電路。

單片機(jī)領(lǐng)域，還是二極管最樸實(shí)最實(shí)用。MOS管就像好馬，需要懂它的伯樂。

但是如果不能夠完全理解MOS管的原理，用起來沒問題還好，出了問題感覺就不是那么回事了，對于MOS管的應(yīng)用，首先要得了解MOS管的原理，MOS管的參數(shù)，還是得好好看看一些基礎(chǔ)，怕文中的推薦鏈接小伙伴沒看到，再次推薦一下博文：

全面認(rèn)識MOS管，一篇文章就夠了

其實(shí)在實(shí)際使用中，可以先根據(jù)先人給出的經(jīng)驗(yàn)去設(shè)計(jì)電路，然后通過實(shí)際的測試，分析，最好是踩幾次坑，吃幾次教訓(xùn)，自己才能真正的設(shè)計(jì)出越來越穩(wěn)定可靠的電路。

審核編輯：何安