如何實現(xiàn)逆電池保護(hù)電路的設(shè)計

21世紀(jì)屬于由電池驅(qū)動的便攜式設(shè)備。從智能手機、筆記本電腦到智能家居和辦公用品，這些新型電子設(shè)備體積小巧，功耗更高，具有多種功能，可以通過電池供電。這些電子器件通常有像二極管、晶體管、電容器或集成電路這樣的組件，這些組件嵌入在它們里面，在本質(zhì)上是極化的。所以這些器件的電子線路基本上必須提供直流電源是一個特定的極性。

任何電池都有兩個端子——陽極和陰極，電流總是從陽極流向陰極。實際上，電子是從陰極流向陽極的。但是為了保持電流的定義不受載流子的影響，常規(guī)電流的方向一般是從陽極或正極到陰極或負(fù)極。

許多器件由于對電源的要求是一個特定的極性，有一個機械組裝或電池設(shè)計的方式，電池可以附加在一個特定的極性只。但并不是所有的設(shè)備都是這樣。有很多設(shè)備使用普通電池運行，電子設(shè)備的機械組裝只有指示器或指令以特定的方式連接電池。盡管如此，由于人為錯誤，電池仍然可以以任何一種方式與電路連接。

如果電池以反向極性連接到設(shè)備上，可能會對電池以及電子設(shè)備本身造成嚴(yán)重?fù)p害。這種情況并不少見。由于反向連接，極化元件由于通過它們的反向電壓而開始沖擊，并且器件可能會永久損壞。反向極性也會影響電池，反向連接可能會引爆電池，或者有可能在反向極性連接到電路后，電池可能不再充電。

為了節(jié)省電池和電子設(shè)備的壽命，通常明智的做法是在電池之后或任何電子設(shè)備的內(nèi)部電路之前使用反向電池保護(hù)電路。還可以在設(shè)備電路的電源輸入端加入反向電池保護(hù)電路。逆向電池保護(hù)電路也節(jié)省了電子電路的任何回流從電池。

反向電池保護(hù)電路可以建立使用二極管，MOSFET 或 BJT。在本教程中，逆向電池保護(hù)電路從這些組成部分將設(shè)計和測試的功率效率與不同的負(fù)載。實驗中不采用實際電路作為負(fù)載，而是采用不同的電阻作為負(fù)載。為了測試保護(hù)電路的功率效率，測量了保護(hù)電路上的電壓降和負(fù)載上的電流。

保護(hù)電路也會消耗電池的電量，從而導(dǎo)致電量的損耗。因此，保護(hù)電路應(yīng)該消耗最小的功率，以便在負(fù)載時輸出最大功率。提供給負(fù)載的功率與負(fù)載電路上可用的電壓成正比。這是保護(hù)電路中電壓降之后的剩余電壓，因此通過保護(hù)電路的電壓降將被測量。通過保護(hù)電路的電壓降應(yīng)該是最小的。其次，通過負(fù)載電路的電流將被測量，這將表明負(fù)載電路的實際可用功率。負(fù)載電路輸出的電流越多，消耗的電能就越多。

所需組件

圖1： 逆向電池保護(hù)所需元件清單

以下是電池保護(hù)電路的設(shè)計方法

二極管

設(shè)計電池保護(hù)電路最簡單的方法是使用二極管。二極管只沿一個方向傳導(dǎo)電流，并因反向極性而斷開。因此，如果一個二極管串聯(lián)在電池和負(fù)載電路之間，它將只允許一個極性的電流傳導(dǎo)。只有當(dāng)電池的陽極連接到二極管的陽極時，二極管才會得到正向偏置并允許負(fù)載電路中的電流流動。如果將電池的陰極連接到二極管的陽極上，二極管就會產(chǎn)生反向偏置，從而阻止負(fù)載電路中電流的傳導(dǎo)。這將節(jié)省負(fù)載或任何設(shè)備是連接到電池。因此，應(yīng)該連接二極管，使二極管的陰極連接在負(fù)載電路上，電池連接器連接到二極管的陽極上。該1n4007二極管可用于反向電池保護(hù)。1n4007二極管的電壓降約為0.7 v，最大正向電流為1a。

圖2： 基于 in4007的反向蓄電池保護(hù)電路圖

實驗采用3.7 v 的鋰離子電池，可提供3.3 v 的電源電壓。一個1n4007二極管串聯(lián)連接到電池，使電池的陽極連接到二極管的陽極。不同的負(fù)載電阻通過開關(guān)連接到蓄電池和二極管電路，電路連接通過公共接地連接到蓄電池的陰極完成。

圖3： 基于二極管反向極性保護(hù)的原理樣機

因此，輸入電壓，Vin = 3.3 v，在測量電壓降跨越二極管和電流跨越負(fù)載電阻單獨，以下結(jié)果被發(fā)現(xiàn)-

圖4： 表列出1n4007二極管上的電壓降和不同負(fù)載下的負(fù)載電流

從上述結(jié)果可以分析，二極管采取更多的電壓降，它作為電流需求在輸出負(fù)載增加。為了降低電壓降，可以使用肖特基二極管，與1n4007二極管相比，其正向電壓降更小。

圖5： 基于1n5819的反向蓄電池保護(hù)電路圖

如果在電路中用1n5819肖特基二極管代替1n4007二極管，可以得到以下結(jié)果：

輸入電壓，Vin = 3.3 v

圖6： 表列出1n5819二極管上的電壓降和不同負(fù)載下的負(fù)載電流

從上述結(jié)果可以分析出，隨著輸出負(fù)載電流需求的增加，1n5819二極管將承受更大的電壓降。但肖特基二極管的正向電壓降比1n4007低。

使用二極管電路的缺點

二極管的電壓下降，因此整體功耗增加?？梢哉f，二極管浪費了一部分功率。

二極管的使用限制了負(fù)載可以產(chǎn)生的最大輸出電流。例如，1n4007和1n5819允許的最大正向電流僅為1a。

解決方案

?具有較小正向壓降的肖特基二極管也可以用來代替普通的二極管?？梢愿鶕?jù)負(fù)載要求的最大電流選擇二極管。晶體管可以代替二極管，因為晶體管也可以用于開關(guān)應(yīng)用，它們具有較小的電壓降，并且可以處理高負(fù)載。

設(shè)計保護(hù)電路的第三種方法是使用 n 溝道 MOSFET。當(dāng)柵極端子處有正電壓時，NMOS 導(dǎo)電。否則，NMOS 仍處于開路狀態(tài)。在 MOSFET 中，存在一個本征體二極管，當(dāng)它正向偏置時，它就導(dǎo)電。因此，NMOS 可以作為開關(guān)晶體管，用于制作反向電池保護(hù)電路。NMOS 通常具有較小的 ON 電阻（rDS）。因此，它在全導(dǎo)電狀態(tài)下的電壓降較小。與二極管或 BJT 相比，N-MOSFET 也可以處理高負(fù)載。

注意： 電路圖可以在“電路圖”標(biāo)簽下找到。

因此，當(dāng)電池正確連接，然后 MOSFET 得到打開。在反向電池的柵極端子是低，關(guān)閉 MOSFET 和負(fù)載是斷開從電池。

圖7： 在試驗板上使用 n MOSFET 的反極性保護(hù)電路原型

實驗采用3.7 v 的鋰離子電池，可提供3.3 v 的電源電壓。一個 BS170 NMOS 用于反向電池保護(hù)。負(fù)載電阻通過 NMOS 的柵極端子和漏極端子之間的開關(guān)連接。電池連接到 NMOS 的柵極端子和源極端子上。只有當(dāng)電池的陽極連接到 NMOS 的基座時，NMOS 才導(dǎo)電。如果電池的陰極連接到 NMOS 的基座上，NMOS 將處于關(guān)閉狀態(tài)，從而切斷負(fù)載的電源電壓。

因此，輸入電壓 Vin = 3.3 v，在測量電壓降跨越晶體管和電流跨越負(fù)載電阻單獨，以下結(jié)果被發(fā)現(xiàn)-

圖8： 表格列出了不同負(fù)載的 Vds 和加載電流

使用 nMOSFET 的缺點

? MOSFET 需要超過閾值電平的柵極電壓才能啟動。這意味著它們只對那些能夠提供高于閾值電壓的電池有效。例如，bs170在 Gate 上至少需要0.8 v 電壓才能啟動。

解決方案

閾值柵電壓較低的 mosfet 可用于低容量電池。

使用 NPN BJT （雙極性晶體管）-BC547

設(shè)計反向極性保護(hù)電路的另一種方法是使用 BJT 晶體管。在反向電池保護(hù)電路中，BJT 可用作開關(guān)晶體管。NPN BJT 有較高的貝塔值（電流增益） ，這就是為什么它們可以在低基極電流下工作。這樣可以減少功率損耗。而且，它們的電壓降更小。

在實驗過程中，采用 bc547作為逆向電池的保護(hù)電路。晶體管連接在電路中，負(fù)載電路連接在晶體管的基極和集電極之間，電池連接在晶體管的基極和發(fā)射極上。晶體管的基極使用上拉電阻，這樣基極就可以有適當(dāng)?shù)钠?。?dāng)電池連接在一起，使得電池的陽極連接到晶體管的基極時，基極處的正向電壓將晶體管開關(guān)為 ON 狀態(tài)，電流開始從集電極流向發(fā)射極。

這樣電路就完成了，負(fù)載就得到了輸入電源。當(dāng)電池的陰極連接到晶體管的基極時，晶體管的基極不偏置，晶體管開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。在晶體管的集電極和發(fā)射極之間沒有電流流動，負(fù)載電路就打開了。這將使負(fù)載/設(shè)備不受反向電流的影響。

圖9： 電路板上采用雙極性晶體管的反向極性保護(hù)電路原型

實驗采用3.7 v 的鋰離子電池，可提供3.3 v 的電源電壓。一 bc547晶體管連接，使得負(fù)載電阻連接在晶體管的基極和集電極之間，電池連接器連接在晶體管的基極和發(fā)射極之間。

因此，輸入電壓 Vin = 3.3 v，在測量電壓降跨越晶體管和電流跨越負(fù)載電阻單獨，以下結(jié)果被發(fā)現(xiàn)-

圖10： 表列不同負(fù)載的 Vce 和負(fù)載電流

從上述結(jié)果可以分析，bc547需要更多的電壓下降，作為電流需求增加，在輸出。但是整個 BJT 的電壓降遠(yuǎn)小于二極管和 MOSFET。因此，BJT 作為反向電池保護(hù)電路的工作性能優(yōu)于 MOSFET 和二極管。

使用 bc547的缺點

?電路的設(shè)計應(yīng)保持基極電流，使其能夠以最小的功率損耗驅(qū)動高負(fù)載。這是因為，集電極電流取決于基極電流。

? bc547允許通過集電極的最大電流為100ma。這就限制了負(fù)載可以產(chǎn)生的最大電流。

解決方案

?在某些情況下，類似2n2222a 的 BJT 可以用來解決電流限制問題。2N2222A 允許最大電流為1a。

? MOSFET 可以代替 BJT，因為與 BJT 相比，MOSFET 具有較低的導(dǎo)通電阻，并且可以處理高負(fù)載。但是，由于 MOSFET 具有比 BJT 更高的功率損耗，因此使用 MOSFET 時必須考慮功率損耗的影響。

結(jié)語

在比較了二極管、 BJT 和 MOSFET 作為反向電池保護(hù)電路的使用情況后，得出的結(jié)果總結(jié)如下表-

圖11： 表列二極管、 NPN BJT 和 N-MOSFET 反向電池保護(hù)特性

由此可見，在使用二極管、 NMOS 和 BJT 進(jìn)行反向電池保護(hù)時，BJT 的功率效率最高，但存在電流限制?；蛘?，NMOS 也可以使用，但是存在閾值電壓問題。因此，對于電流要求較低的負(fù)載電路，最好使用 BJT。如果負(fù)載電路的電流要求很高，并且工作在大功率上，推薦使用 NMOS。對于不存在電壓降或電流需求問題的低成本電路，可以使用二極管。

審核編輯：郭婷