電壓反接保護(hù)(Reverse Voltage Protect, RVP)電路主要用在需要直流電壓供電電源的輸入端,用于防止輸入電壓極性反接而造成電路系統(tǒng)元器件的損壞,甚至事故!
大多數(shù)電路系統(tǒng)都需要極性正確的直流電壓進(jìn)行供電才能夠正常地工作,如果電壓極性一旦反接,則很有可能損壞內(nèi)部電路元器件,因?yàn)楹芏嘣骷荒軌虺惺苓^大的反向電壓。
比如,鋁電解電容都是有極性的,而它可以承受的最大反向電壓很小,如下圖所示:(來自VISHAY 鋁電解電容038 RSU數(shù)據(jù)手冊(cè))
鋁電解電容強(qiáng)行施加反向電壓,將出現(xiàn)電流大,發(fā)熱等現(xiàn)象,嚴(yán)重者可能發(fā)生爆炸(Boom)
大多數(shù)集成芯片的反向耐壓也不高,我們看看單片機(jī)的數(shù)據(jù)手冊(cè),如下圖所示:(來自STM32單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊(cè))
因此,對(duì)于大多數(shù)電路系統(tǒng)而言,特別是內(nèi)部有較昂貴的元器件時(shí),或價(jià)值較高的電路系統(tǒng),添加一個(gè)電壓極性保護(hù)電路還是必要的,下面我們介紹一些常用的RVP電路。
最簡單的RVP電路就是:使用一個(gè)二極管串聯(lián)在輸入直流電源線路上。其優(yōu)點(diǎn)就是簡單,缺點(diǎn)是二極管有一定的壓降,不適合輸入電壓比較低的應(yīng)用場(chǎng)合,而且電流很大時(shí)損耗也很大(發(fā)熱),另外,輸入電壓反接時(shí),由于二極管是截止的,電路系統(tǒng)是不工作的,如下圖所示:
如果需要在極性反接的情況下,電路系統(tǒng)也能夠正常工作,可以使用全橋橋堆連接方法,如下圖所示:
它的缺點(diǎn)是損耗比單個(gè)二極管RVP電路更大(兩個(gè)二極管壓降損耗),但帶來的好處是無論輸入電壓是正向或反向,電路系統(tǒng)都能夠正常工作。
有些廠家為了簡化保護(hù)電路并降低二極管的損耗,直接在電路系統(tǒng)的輸入直流供電電源兩端反向并聯(lián)一個(gè)二極管,如下圖所示:
這樣當(dāng)外接電源反接時(shí),二極管就被擊穿了,從而保護(hù)電路模塊中更為貴重的元器件,而二極管的成本還不到一毛錢,維修的時(shí)候直接更換一個(gè)就可以,典型的“丟卒保車”的做法;
當(dāng)然,你也可以在二極管前面再串一個(gè)熔斷型保險(xiǎn)絲,如下圖所示:
當(dāng)輸入電壓極性反向時(shí),保險(xiǎn)絲將會(huì)熔斷,你只需要換一個(gè)保險(xiǎn)絲即可,甚至都不需要拿鉻鐵來進(jìn)行維修。
對(duì)保護(hù)電路要求更高的場(chǎng)合,我們還可以使用如下圖所示的增強(qiáng)型NMOS管保護(hù)電路:
當(dāng)輸入電壓極性正確時(shí),NMOS的寄生二極管將先一步導(dǎo)通,這樣NMOS管的柵-源電壓VGS約為輸入電壓(小一個(gè)二極管壓降),如下圖所示:
此時(shí)二極管是有一定壓降的(有損耗),但VGS使NMOS管導(dǎo)通后將寄生二極管短路,此時(shí)電流將從NMOS管溝道流過,如下圖所示:
現(xiàn)在的NMOS管導(dǎo)通電阻可以做到毫歐姆級(jí)別,因此損耗將非常低,
而當(dāng)電源極性反接時(shí),寄生二極管因反向偏置而截止,由于柵-源電壓VGS不滿足條件,NMOS管也是截止的,電路系統(tǒng)將不予工作,如下圖所示:
上述電路僅適合輸入電壓不高于NMOS管柵-源電壓(典型值不超過12V)的場(chǎng)合,否則將可能損壞MOS管,這時(shí)我們需要添加一些附屬電路,比如電阻分壓電路,如下圖所示:
當(dāng)然,如果你擔(dān)心輸入電壓波動(dòng)太大(從而分壓過大),而且荷包也足夠飽滿的話,也可以加個(gè)穩(wěn)壓二極管,如下圖所示:
用PMOS管也可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能,如下圖所示:
它的分析原理與NMOS管完全一致,針對(duì)輸入電壓大于PMOS柵-源電壓的場(chǎng)合,其附屬電路與PMOS管也是一樣的,本文不再贅述。
當(dāng)然,NMOS管的導(dǎo)通電阻比PMOS管小(參考文章“場(chǎng)效應(yīng)管(4)PMOS與NMOS溝道導(dǎo)通電阻”),在適當(dāng)?shù)膱?chǎng)合可以考慮這一點(diǎn)。
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