電路設計指南：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的基本部件。

下圖為PMOS反接保護電路。

PMOS 用作電源開關，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