對電池供電設備提供保護的極性校正電路

作者: Vladimir Oleynik

先前發佈的設計實例「Circuit provides reverse-battery protection」當中概述了一種極性保護電路,它可以將電池正確連接到負載,而不論電池在其底座中的方向如何。這個電路採用快速開關、低壓、雙SPDT CMOS類比開關設計,可以工作,但存在一些缺點…

先前發佈的設計實例「Circuit provides reverse-battery protection」當中概述了一種極性保護電路,它可以將電池正確連接到負載,而不論電池在其底座中的方向如何。這個電路採用Maxim提供的快速開關、低壓、雙SPDT CMOS類比開關IC MAX4636設計,可以工作,但存在一些缺點。它的電源電壓範圍有一定的局限(1.8~5.5V),並且內部電阻略高,因此只能用於電流負荷不超過30mA的產品。幸運的是,由於MOSFET技術的一些重大進步,現在可以克服這些局限。

圖1說明了使用P通道MOSFET電晶體對負載進行反極性電池保護的方法。通常,要使P通道MOSFET導通,需要向其閘源控制結施加適當的電壓(閘極端為負電位,源極端為正電位)。圖1中P通道MOSFET的連接稍有不同,其工作方式如圖所示。

圖1 使用P通道MOSFET保護負載免受反向電池的損壞。

當將電源加到A和B端子(A為正,B為負)時,電晶體的內部二極體D1處於正向偏置,為Q1提供閘源控制電壓,從而使其導通。MOSFET的小電阻充當二極體D1的旁路,將電流送到負載。

當電池反向時,電壓也施加到A和B端子(但現在是A為負,B為正),電晶體的內部二極體D1受到反向偏置,Q1的閘源電壓為0。因此,Q1電晶體截止,負載無電流。

換句話說,這個電路中的P通道MOSFET Q1,其行為類似於二極體(即虛擬的「D2」),其正向閾值電壓非常低。也可以以類似方式使用N通道MOSFET(圖2)。

圖2 使用N通道MOSFET保護負載免受反向電池的損壞。

當A端為正、B端為負時,電晶體的內部二極體D1獲得正向偏置,為Q1提供閘漏控制電壓,從而使其導通。MOSFET的小電阻為D1二極體分流,從而將電流送到負載。

當向A和B端子反向供電(A為負,B為正)時,電晶體的內部二極體D1受到反向偏置,其閘源電壓等於0。MOSFET Q1截止,負載沒有電流。

圖1和圖2所示的電路可用於保護負載免受電池反接的影響,而非使用普通的二極體反極性保護,但如果電池反向安裝,則無法為負載供電。

當依照圖3所示安裝電池時,正電位透過P通道電晶體Q2的正向偏置內部二極體D2施加到其源極,這樣會使Q2的閘極處於電池負極的電位,從而使其導通。電池的負極透過N通道電晶體Q3的正向偏置內部二極體D3連接到其源極,在這種情況下,Q3由於閘極處於電池正極的電位,因此將會導通。總的來說,當電池處於此方向時,Q2和Q3處於放大狀態,將電池的電壓傳送到負載,Q1和Q4則保持斷開。

圖3 這個電路可在任何電池安裝情況下為負載供電。

在下一種情況下,電池的安裝方向相反。這時,正電勢透過P通道電晶體Q4的正向偏置內部二極體D4施加到其源極。由於Q4的閘極處於電池負極的電位,因此它會導通;Q1的內部二極體D1受到正向偏置,從而可以將來自電池負極的電勢施加到N通道電晶體Q1的源極。由於Q1的閘極處於電池正極的電位,因此Q1導通。由於Q1和Q4雙雙導通,因此電池被連接到負載,而Q2和Q3則處於關斷狀態。

請注意,這個設計當中有項安全功能,利用了MOSFET的內部二極體。電晶體Q1~Q4中的二極體互相連接,形成了全橋整流器。萬一MOSFET無法工作,二極體電橋仍然可以對輸入進行整流,從而為負載提供正確極性的電力。

附錄

圖3中所示的電路,其適用電壓相對較低,不超過N通道和P通道MOSFET的最大允許閘源結,通常為±15~20V。對於需要更高電池電壓的應用,應對圖3中的電路進行修改,以保護MOSFET的閘源結,如圖4所示。

圖4 保護MOSFET的閘源結。

這個電路中增加了齊納二極體D5~D8,用以保護MOSFET的閘源結。電阻R1和R2起了限流作用。在大多數情況下,D5~D8的Vzener(反向擊穿電壓)值應該在12~13V之間。這足以打開MOSFET,獲得其最小Rds-on值。R1和R2的值(R1 = R2 = R)可以依照下方公式進行計算:

R = (Vbatt-Rds-on×Iload-Vzener)/Izen

其中,Vbatt是電池電壓,Rds-on是MOSFET導通時的汲極源(drain-source)電阻,Iload是負載電流,Vzener是齊納二極體的反向擊穿電壓,而Izen是齊納二極體的工作電流。

請注意:這款Maxim的元件在+3V電源下會帶來11Ω(2×5.5Ω)的串聯電阻,而在+5V電源下會帶來8Ω(2×4Ω)的串聯電阻。

(參考原文:Polarity-correcting circuit protects battery-powered devices,by Vladimir Oleynik)

 

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