防反接保护电路

1.直流电源输入防反接保护电路通常采用二极单向导电管实现防反接保护。如下图1所示：

该接头简单可靠，但输入大电流时功耗影响很大。输入电流额定值为2A,如选用Onsemi二极管的快速恢复MUR3020PT，额定管压降为0.7V，至少要达到功耗：Pd＝2A×0.7V＝1.4W，这样效率低，发热量大，要加散热器。

2.此外，二极管桥可用于整流输入，使电路始终具有正确的极性（图2）。这些方案的缺点是二极管上的压降会消耗能量。输入电流为2A图1中的电路功耗为1.4W，图2中电路的功耗为2.8W。

图1，串联二极管保护系统不受反向极性的影响，二极管有0.7V的压降

图2 是桥式整流器，无论极性如何都能正常工作，但有两个二极管导通，功耗是图1的两倍

MOS管型防反接保护电路

图3利用了MOS由于电源的原因，控制电路的导通和断开，设计了防反接保护电路MOS现在管道的内阻很小MOSFET Rds（on）能够实现毫欧级，解决了采用二极管电源防反接方案的压降和功耗过大的问题。

极性反接保护将保护用场效应管与被保护电路串联连接。保护用场效应管为PMOS场效应管或NMOS场效应管。若为PMOS，栅极和源极分别连接受保护电路的接地端和电源端，其漏极连接受保护电路PMOS元件衬底。若是NMOS，栅极和源极分别连接受保护电路的电源端和接地端，其漏极连接受保护电路NMOS元件衬底。一旦保护电路的电源极性反接，保护用场效应管将形成断路，防止电流烧毁电路中的场效应管元件，保护整个电路。

具体N沟道MOS管道反向保护电路如图3所示

图3. NMOS管型防反接保护电路

N沟道MOS管通过S管脚和D管脚串接于电源和负载之间，电阻R1为MOS管道提供电压偏置MOS控制电路的导通和断开，防止电源反接损坏负载。正接时候，R1提供VGS电压，MOS饱和导通。反接的时候MOS不能导通，起到防反接作用。功率MOS管的Rds（on）只有20mΩ实际损失很小，2A功耗为(2×2)×0.02=0.08W根本不需要添加散热器。解决了二极管电源防反接方案中压降和功耗过大的问题。

VZ11稳压管防止过高的电压mos管。NMOS管道的导电阻比PMOS小，最好选择NMOS。

NMOS管道连接到电源的负极，栅极高电平导通。

PMOS管道连接到电源的正极，栅极低电平导通。

一般用于高端驱动MOS,栅极电压大于源极电压。

而高端驱动MOS管道导通时源极电压和漏极电压（VCC）相同，

因此，此时栅极电压比较VCC大4V或10V.如果在同一个系统中，要得到比较VCC大的电压，

需要一个特殊的升压电路。许多电机驱动电机驱动器中。需要注意的是，应该

选择合适的外部电容器，以获得足够的短路电流驱动MOS管。

MOS管道由电压驱动，只要栅极电压达到开启电压，就可以导通DS,栅极串能导通多少电阻？

但是，如果要求开关频率较高，则栅对地或VCC可视为电容器，对于一个电容器，串的电阻越大，栅极达到导电压的时间越长，MOS处于半导通状态的时间越长，在半导通状态下阻力越大，发热越大，容易损坏MOS,所以高频时栅极栅极串的电阻不但要小，一般要加前置驱动电路的。让我们先了解一下MOS管开关的基本知识。

1、MOS管道类型和结构

MOSFET管是FET一个(另一个)JFET），可制成增强型或耗尽型，P有四种类型的沟或N沟，但实际应用只有增强N沟MOS管道和增强型P沟MOS因此，通常提到管道NMOS,或者PMOS指的是这两种。

至于为什么不使用耗尽型，MOS管道，不建议刨根问底。

对于这两种增强型MOS更常用的管道是NMOS.

原因是导电阻小，制造方便。

因此，一般用于开关电源和电机驱动的应用NMOS.下面的介绍大多是NMOS为主。

MOS寄生电容存在于管脚的三个管脚之间，这不是我们需要的，而是由于制造过程的限制。寄生电容的存在使得驱动电路的设计或选择更加麻烦，但没有办法避免，稍后会详细介绍。

在MOS可以在管原理图上看到，

寄生二极管在漏极和源极之间。这叫体二极管，

这种二极管在驱动感性负载(如电机)时非常重要。

顺便说一句，体二极管只是单个的MOS集成电路芯片通常不存在于管道中。

2、MOS管导通特性

导通是指作为开关，相当于开关关闭。

NMOS的特性，Vgs如果大于一定值，则导通，适用于源极接地（低端驱动），只要格栅

极电压达到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs如果小于一定值，就会导通，适合源极接VCC情况(高端驱动)。

但是，虽然PMOS它可以很容易地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格昂贵，替代品种少，

它通常用于高端驱动NMOS.

3、MOS开关管损失

不管是NMOS还是PMOS,导通后有导通电阻，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量称为导通损耗。

选择导通电阻小的MOS管道会减少导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，也有几毫欧。

MOS导通和截止时间一定不能在瞬间完成。

MOS两端电压下降，流过的电流上升，MOS管道损失是电压和电流的乘积，称为开关损失。

通常，开关损失远大于导通损失，开关频率越快，损失越大。

瞬时电压和电流的乘积很大，造成的损失也很大。

缩短开关时间可以减少每次导通时的损失；

降低开关频率可以减少单位时间内的开关次数。

这两种方法都可以减少开关损失。

4、MOS管驱动

与双极性晶体管相比，一般认为使用MOS只要管道不需要电流，只要GS当电压高于一定值时，就可以了。这样做很容易，但我们仍然需要速度。

在MOS在管的结构中可以看到，GS,GD寄生电容器之间存在，MOS管道的驱动实际上是对电容器的充放电。

电容器的充电需要一个电流，因为电容器的充电瞬间可以看作是短路，所以瞬间电流会比较大。

选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。

而在进行MOSFET因为MOSFET有两种类型：N沟与P沟。

在功率系统中，MOSFET可视为电气开关。

当在N沟道MOSFET当栅极和源极之间增加正电压时，开关导通。

电流可通过开关从漏极流向源极。

漏极与源极之间有内阻，称为导电阻RDS（ON）。

必须清楚MOSFET的栅极是高阻抗端，因此，总是要在栅极加上一个电压。

       这就是后面介绍电路图中栅极所接电阻至地。如果栅极为悬空，器件将不能按设计意图工作，并可能在不恰当的时刻导通或关闭，导致系统产生潜在的功率损耗。当源极和栅极间的电压为零时，开关关闭，而电流停止通过器件。虽然这时器件已经关闭，但仍然有微小电流存在，这称之为漏电流，即IDSS.

　　

　　第一步：选用N沟道还是P沟道

　　为设计选择正确器件的第一步是决定采用N沟道还是P沟道MOSFET.在典型的功率应用中，当一个MOSFET接地，而负载连接到干线电压上时，该MOSFET就构成了低压侧开关。在低压侧开关中，应采用N沟道MOSFET,这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当MOSFET连接到总线及负载接地时，就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用P沟道MOSFET,这也是出于对电压驱动的考虑。

　　第二步：确定额定电流

　　第二步是选择MOSFET的额定电流。视电路结构而定，该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似，设计人员必须确保所选的MOSFET能承受这个额定电流，即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰。该参数以FDN304P管DATASHEET为参考，参数如图所示：

　　在连续导通模式下，MOSFET处于稳态，此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌（或尖峰电流）流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流，只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。

　　选好额定电流后，还必须计算导通损耗。在实际情况下，MOSFET并不是理想的器件，因为在导电过程中会有电能损耗，这称之为导通损耗。MOSFET在“导通”时就像一个可变电阻，由器件的RDS（ON）所确定，并随温度而显着变化。器件的功率耗损可由Iload2×RDS（ON）计算，由于导通电阻随温度变化，因此功率耗损也会随之按比例变化。对MOSFET施加的电压VGS越高，RDS（ON）就会越小；反之RDS（ON）就会越高。对系统设计人员来说，这就是取决于系统电压而需要折中权衡的地方。对便携式设计来说，采用较低的电压比较容易（较为普遍），而对于工业设计，可采用较高的电压。注意RDS（ON）电阻会随着电流轻微上升。关于RDS（ON）电阻的各种电气参数变化可在制造商提供的技术资料表中查到。

　　

　　第三步：确定热要求

　　选择MOSFET的下一步是计算系统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况，即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果，因为这个结果提供更大的安全余量，能确保系统不会失效。在MOSFET的资料表上还有一些需要注意的测量数据；比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻，以及最大的结温。

　　

　　器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积（结温=最大环境温度+[热阻×功率耗散]）。根据这个方程可解出系统的最大功率耗散，即按定义相等于I2×RDS（ON）。由于设计人员已确定将要通过器件的最大电流，因此可以计算出不同温度下的RDS（ON）。值得注意的是，在处理简单热模型时，设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/环境的热容量；即要求印刷电路板和封装不会立即升温。

　　通常，一个PMOS管，会有寄生的二极管存在，该二极管的作用是防止源漏端反接，对于PMOS而言，比起NMOS的优势在于它的开启电压可以为0,而DS电压之间电压相差不大，而NMOS的导通条件要求VGS要大于阈值，这将导致控制电压必然大于所需的电压，会出现不必要的麻烦。选用PMOS作为控制开关，有下面两种应用：

 

　　第一种应用，由PMOS来进行电压的选择，当V8V存在时，此时电压全部由V8V提供，将PMOS关闭，VBAT不提供电压给VSIN,而当V8V为低时，VSIN由8V供电。注意R120的接地，该电阻能将栅极电压稳定地拉低，确保PMOS的正常开启，这也是前文所描述的栅极高阻抗所带来的状态隐患。D9和D10的作用在于防止电压的倒灌。D9可以省略。这里要注意到实际上该电路的DS接反，这样由附生二极管导通导致了开关管的功能不能达到，实际应用要注意。

　

　　来看这个电路，控制信号PGC控制V4.2是否给P_GPRS供电。此电路中，源漏两端没有接反，R110与R113存在的意义在于R110控制栅极电流不至于过大，R113控制栅极的常态，将R113上拉为高，截至PMOS,同时也可以看作是对控制信号的上拉，当MCU内部管脚并没有上拉时，即输出为开漏时，并不能驱动PMOS关闭，此时，就需要外部电压给予的上拉，所以电阻R113起到了两个作用。R110可以更小，到100欧姆也可。

　　另外，我们再来MOS管的开关特性

　　一、静态特性    

     MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。由于MOS管是电压控制元件，所以主要由栅源电压uGS决定其工作状态。

　　工作特性如下：

　　※ uGS<开启电压UT:MOS管工作在截止区，漏源电流iDS基本为0,输出电压uDS≈UDD,MOS管处于“断开”状态，其等效电路如下图所示。

　　

　　※ uGS>开启电压UT:MOS管工作在导通区，漏源电流iDS=UDD/（RD+rDS）。其中，rDS为MOS管导通时的漏源电阻。输出电压UDS=UDD·rDS/（RD+rDS），如果rDS《RD,则uDS≈0V,MOS管处于“接通”状态，其等效电路如上图（c）所示。

　　二、动态特性

　MOS管在导通与截止两种状态发生转换时同样存在过渡过程，但其动态特性主要取决于与电路有关的杂散电容充、放电所需的时间，而管子本身导通和截止时电荷积累和消散的时间是很小的。下图（a）和（b）分别给出了一个NMOS管组成的电路及其动态特性示意图。

　　NMOS管动态特性示意图

　　当输入电压ui由高变低，MOS管由导通状态转换为截止状态时，电源UDD通过RD向杂散电容CL充电，充电时间常数τ1=RDCL.所以，输出电压uo要通过一定延时才由低电平变为高电平；当输入电压ui由低变高，MOS管由截止状态转换为导通状态时，杂散电容CL上的电荷通过rDS进行放电，其放电时间常数τ2≈rDSCL.可见，输出电压Uo也要经过一定延时才能转变成低电平。但因为rDS比RD小得多，所以，由截止到导通的转换时间比由导通到截止的转换时间要短。     

      由于MOS管导通时的漏源电阻rDS比晶体三极管的饱和电阻rCES要大得多，漏极外接电阻RD也比晶体管集电极电阻RC大，所以，MOS管的充、放电时间较长，使MOS管的开关速度比晶体三极管的开关速度低。不过，在CMOS电路中，由于充电电路和放电电路都是低阻电路，因此，其充、放电过程都比较快，从而使CMOS电路有较高的开关速度。