經(jīng)典電源保護電子電路設(shè)計精華盤點 —電路圖天天讀（199）

　　在電源電子電路設(shè)計中存在一些不穩(wěn)定因素，而設(shè)計用來防止此類不穩(wěn)定因素影響電路效果的回路稱作保護電路。比如有過流保護、過壓保護、過熱保護、空載保護、短路保護等。鋰電池保護電路由兩個場效應(yīng)管和專用保護集成塊S8232組成，過充電控制管FET2和過放電控制管FET1串聯(lián)于電路，由保護IC監(jiān)視電池電壓并進行控制，當電池電壓上升至4.2V時，過充電保護管FET2截止，停止充電。

　　電容在中低頻或直流情況下，就是一個儲能組件，只表現(xiàn)為一個電容的特性，但在高頻情況下，它就不僅僅是個電容了，它有一個理想電容的特性，有漏電流（在高頻等效電路上表現(xiàn)為R），有引線電感，還在導致電壓脈沖波動情況下發(fā)熱的ESR（等效串聯(lián)電阻）。從這個圖上分析，能幫我們設(shè)計師得出很多有益的設(shè)計思路。第一，按照常規(guī)思路，1/2πfc是電容的容抗，應(yīng)該是頻率越高，容抗越小，濾波效果越好，即越高頻的雜波越容易被泄放掉，但事實并非如此，因為引線電感的存在，一支電容僅僅在其1/2πfc=2πf L等式成立的時候，才是整體阻抗最小的時候，濾波效果才最好，頻率高了低了都會濾波效果下降，由此就可以分析出結(jié)論，為什么在IC的VCC端都會加兩支電 容，一支電解的，一支瓷片的，并且容值一般相差100倍以上多一點。就是兩支不同的電容的諧振頻率點岔開了一段距離，既利于對稍高頻的濾波，也利于對較低頻的濾波。

　　防反接保護電路

　　通常情況下直流電源輸入防反接保護電路是利用二極管的單向?qū)щ娦詠韺崿F(xiàn)防反接保護。如下圖1示：這種接法簡單可靠，但當輸入大電流的情況下功耗影響是非常大的。以輸入電流額定值達到2A，如選用Onsemi的快速恢復二極管 MUR3020PT，額定管壓降為0.7V，那么功耗至少也要達到：Pd＝2A×0.7V＝1.4W，這樣效率低，發(fā)熱量大，要加散熱器。另外還可以用二極管橋?qū)斎胱稣?，這樣電路就永遠有正確的極性（圖2）。這些方案的缺點是，二極管上的壓降會消耗能量。輸入電流為2A時，圖1中的電路功耗為1.4W，圖2中電路的功耗為2.8W。

　　圖1 一只串聯(lián)二極管保護系統(tǒng)不受反向極性影響，二極管有0.7V的壓降

　　圖2 是一個橋式整流器，不論什么極性都可以正常工作，但是有兩個二極管導通，功耗是圖1的兩倍。

　　利用MOS管的開關(guān)特性，控制電路的導通和斷開來設(shè)計防反接保護電路，由于功率MOS管的內(nèi)阻很小，解決了現(xiàn)有采用二極管電源防反接方案存在的壓降和功耗過大的問題。

　　MOS管型防反接保護電路

　　圖3利用了MOS管的開關(guān)特性，控制電路的導通和斷開來設(shè)計防反接保護電路，由于功率MOS管的內(nèi)阻很小，現(xiàn)在 MOSFET Rds（on）已經(jīng)能夠做到毫歐級，解決了現(xiàn)有采用二極管電源防反接方案存在的壓降和功耗過大的問題。極性反接保護將保護用場效應(yīng)管與被保護電路串聯(lián)連接。保護用場效應(yīng)管為PMOS場效應(yīng)管或NMOS場效應(yīng)管。若為PMOS，其柵極和源極分別連接被保護電路的接地端和電源端，其漏極連接被保護電路中PMOS元件的襯底。若是NMOS，其柵極和源極分別連接被保護電路的電源端和接地端，其漏極連接被保護電路中NMOS元件的襯底。一旦被保護電路的電源極性反接，保護用場效應(yīng)管會形成斷路，防止電流燒毀電路中的場效應(yīng)管元件，保護整體電路。具體N溝道MOS管防反接保護電路電路如圖3示。

　　圖3. NMOS管型防反接保護電路

　　N溝道MOS管通過S管腳和D管腳串接于電源和負載之間，電阻R1為MOS管提供電壓偏置，利用MOS管的開關(guān)特性控制電路的導通和斷開，從而防止電源反接給負載帶來損壞。正接時候，R1提供VGS電壓，MOS飽和導通。反接的時候MOS不能導通，所以起到防反接作用。功率MOS管的 Rds（on）只有20mΩ實際損耗很小，2A的電流，功耗為（2×2）×0.02=0.08W根本不用外加散熱片。解決了現(xiàn)有采用二極管電源防反接方案存在的壓降和功耗過大的問題。

　　編輯點評：上圖中VZ1為穩(wěn)壓管防止柵源電壓過高擊穿mos管，NMOS管的導通電阻比PMOS的小，NMOS管接在電源的負極，柵極高電平導通，PMOS管接在電源的正極，柵極低電平導通。本文著重介紹了電源中保護電路設(shè)計過程，利用場效應(yīng)管的導通電阻作為檢測電阻，監(jiān)視它的電壓降，當電壓降超過設(shè)定值時就停止放電。在一般的情況下，電路中一般還加有延時電路，以區(qū)分浪涌電流和短路電流，總得來說電路功能比較完善，值得仔細品讀。