【个人经验分享】电源输入端防反接保护有哪些方案

在电子设计中经常会用到电源输入端防反接电路,例如二极管和PMOS开关等,这里介绍一下不同的方案

首先是最简单的二极管防反:

    如下图,电源正接时,二极管导通,输出VOUT电源为输入电压12V减去二极管D的导通压降。

    当电源反接时,由于二极管的单向导通特性,不会形成电源回路,因此反接时电路不通。

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二极管防反接时需要注意的点是二极管的过流能力以及压降,另外还有其反向耐压能力。

① 二极管的实际通流要小于其额定电流,另外系统上电瞬间的瞬态电流也不能超过二极管的最大额定峰值电流。

② 关于二极管的压降,根据后级系统供电要求选择,如果输入电压本身比较低,可以选用肖特基二极管,尽可能减小压降,保证VOUT电压。

有了压降以及电流参数,就可以计算二极管的功耗,此时需要考虑二极管的温升。

③ 当二极管反接时,其反向耐压能力也是需要考虑,系统最大反向输入电压不能超过二极管的额定反向耐压。

接下来是PMOS管防反接电路
基本结构
PMOS管防反接电路的基本结构如下图,当电源正接上电时,MOS的G极电压为0V,S极电压为VIN-0.7,当输入电压足够高时,Vgs大于MOS的开启门限电压时,PMOS将会导通,导通后VOUT的电压只是VIN减去PMOS的导通压降,因此这种方式比二极管防反的压降要低。

而当电源反接时,如下图,Vg电压等于VIN,Vs电压也等于VIN,达不到MOS的开启条件,因此MOS不会开启。

PMOS选型需要考虑的因素是导通阻抗以及开启电压,另外其体二极管的反向耐压与MOS自身的VSD电压也是在反接时必须考虑的因素。
① 开启电压与导通阻抗,MOS的开启电压必须低于VIN-0.7V,且在耐压范围内越高越好,这样才能保证MOS的低导通阻抗,但是如果VIN电压过大,可能会大于MOS的最大开启电压,造成MOS管损坏,因此如果VIN过大,可以采用电阻分压或者稳压二极管稳压。如下图:

图片

② 当输入反接时,加在MOS的D、S极的反向电压需低于MOS的额定Vds。

③ 瞬态电流,用到MOS的场景肯定要考虑到其功耗、发热,瞬态电流需要符合SOA曲线,如果超出了SOA曲线,那么还需要做缓启动,如下图用电容C来减缓MOS导通过程来减小瞬态电流:

二极管防反接与PMOS防反接的优略势

二极管来防反接的优势很明显,就是其结构非常简单,但是缺点也很明显,那就是在低压系统中其压降过大,可能导致后极负载重启,另外是在大电流场景下其功耗过大。

PMOS防反接的优点是导通压降以及损耗相对于二极管较低,可以用于电流更大的场景,但是由于G极电阻R以及稳压管的存在,其也会存在一定的损耗,在低功耗场景下需要考虑。

另外PMOS一个缺点是,当输入电压较低时,例如输入只有2V以下,那么就需要低导通电压的MOS,否则MOS无法导通或者导通后内阻过大。

那么有没有兼容二极管和PMOS有点的方案呢?有的,那就是理想二极管方案,不仅导通压降低, 而且允许的工作电压也低(低至1.5V),它的原理很简单,就是通过驱动器控制主功率MOS的内阻,实现一定范围内的固定几十mV级压降,当然为了低输入电压下实现对MOS的驱动,理想二极管有升压电路,这个升压电路又分为电荷泵型和BOOST型,下面一一介绍

电荷泵型理想二极管驱动器

通过对电容的充电与叠加来实现升压,使得系统有更高的电压来驱动NMOS,让NMOS保持低压降来保持低功耗。

电荷泵型的优缺点

① 电荷泵型理想二极管控制器优点是可以驱动的NMOS,同样电流负载的情况下,NMOS相较于PMOS更便宜且封装更小。

② 电荷泵型理想二极管控制器一个优点是只要NMOS的内阻足够低,那么有些IC可以在一定的电流范围内保持NMOS的压降在一定值,例如能在0~4.5A电流范围内保持NMOS的压降在30mV

③ 相较于PMOS型防反接电路以及二极管防反接电路,电荷泵理想二极管驱动器的更加明显的优点是其可以在更大输入电压范围内工作,甚至能低于3V.而在此电压下肖特基二极管压降过大,可能造成后级欠压重启等问题,对于PMOS型防反接电路,过低的输入电压可能导致PMOS不能完全导通 造成高的压降.
④ 当然它不是没有缺点,电荷泵型的理想二极管控制器驱动能力有限,如果输入电压出现波动,很可能导致NMOS的驱动电压丢失,造成NMOS异常关闭,此时电流通过NMOS的体二极管流过造成大量的功耗.
⑤ 其另外一个缺点是为了缩小IC体积,内部集成的充放电电容容值较小,因此需要快速的开关,开关频率时常达到10MHz以上,容易造成更高的EMI问题.

BOOST型理想二级管控制器

BOOST型理想二级管控制器基本结构就是BOOST电路,通过开关来控制电感实现升压来驱动NMOS,以实现低压差.

BOOST型理想二极管驱动器的优缺点

① 其驱动能力强,反应迅速,因此对于后级负载存在快速电流瞬变,那么其更能发挥作用

② BOOST型可以采用独特的峰值电流模式控制,因此其EMI效果将会比电荷泵型好得多.