场效应管防反接电路原理

电工之家 发表于 2019-11-24 09:58:00 收藏 已收藏
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场效应管防反接电路原理

电工之家 发表于 2019-11-24 09:58:00
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  在没有防反接电路的设计中,如果用户接反电源正、负极,可能会发生意外事故或者烧坏电子产品。为了防止这些意外发生,提高产品的可靠性,我们可以设计一个防反接的电路。我们可以用二极管设计防反接,也可以用场效应管设计防反接电路。场效应管导通内阻很小,通常只有几个毫姆,压降非常小。使用二极管设计防反接电路虽然简单、成本低,但会占用较多的压降。

  PMOS管防反接电路

  用P沟道场效应管防反接电路是最常见的设计,可以把PMOS管加在电源正极一端。

  如果正确接电,PMOS管的寄生二极管会导通,电源通过负载形成回路,栅极(G)电位为零,源极(S)电压比电源电压低大约0.6V,Vgs为负,使PMOS管导通,电流就可以正常的从漏极(D)流向源极(S),使后端电路正常工作。

  如果输入的电源正、负极接反,场效应管的G极是高电平,PMOS管不导通,后端电路不工作,起到保护作用。

  NMOS管防反接电路

  用N沟道的场效应管同样可以设计防反接电路,用NMOS管设计防反接电路时,NMOS管放在负极端。

  正确接电时,刚上电时,NMOS管的寄生二极管导通,源极(S)的电位大约为0.6V,栅极(G)电压为电源电压,如果Vgs大于门极开启电压,场效应管导通,电流就可以正常的从源极(S)流向漏极(D),使后端电路正常工作。

  如果电源正负极接反,栅极(G)电位为零,NMOS管不导通,后端电路不工作,起到保护作用。

  二极管防反接电路

  二极管防反接电路是最简单的,成本也低。利用二极管单向导通的特性,电源正、负极接反后,电流不能通过二极管,起到保护作用,但二极管的导通压降压较大,一般都会有0.3V~0.7V,会占用电源较多的压降,对电源压降要求不高的应用可以使用二极管设计防反接电路。

  防反接的二极管可以设计在电源正极一端,也可以设计在电源负极一端。

  场效应管防反接电路其功能和二极管防反接电路一样,其目的都是防止电源的正负输入端接反而导致负载电路烧毁等意外情况发生。场效应管防反接电路相比二极管防反接电路最大的优势是几乎零压降,二极管的压降一般都0.5V~1V左右,但是场效应管就不一样了,场效应管的内阻很小,小的只有几mΩ。假如5mΩ的内阻,经过1A的电流压降只有5mV,10A电流压降也才50mV。

场效应管防反接电路原理

  其缺点是成本高、电路略复杂。二极管防反接其电路设计简单,只需串联一个二极管即可,成本也低,缺点是压降大,即使几十mA的小电流二极管的压降也有0.4V~0.6V左右,使用场效应管其压降能做到1mV以下,相差好几个数量级。

  代替电源正极串联二极管的设计方法

  如下图左侧为常见的电源正输入端正向串联一个二极管用于防止电源反接,这是利用二极管的单向导通特性(正向导通,反向截止)。图右侧为相应的场效应管防反接电路设计,采用P沟道的场效应管(P-MOS管)代替二极管。请注意P-MOS管D极和S极的方向,接错起不到防反作用。

  防反接原理分析:当电源正负极输入正常时,电源正极经过场效应管Q1后正电压通过寄生二极管D1从漏极(D)流向源极(S),此瞬间电路板有有相应电源,只是有二极管压降约0.7V,控制极G极串联电阻后接到电源负极。G极和S极之间有相应的压差,VGS=-(VCC-0.7),P-MOS管导通,电流从MOS管流过,压降减小。也就是说,上电瞬间,电流先从寄生二极管D1流过,此时压降较大,电流经过P-MOS管的S极之后,P-MOS管导通,电流从MOS管经过,压降变小。

  当电源正负极反接时,P-MOS管的G极为正电压,MOS管截止,其寄生二极管D1也截止,S极也为正电压,无法触发P-MOS管导通,因此起到防反接作用。

  代替电源负极串联二极管的设计方法

  如下图左侧为电压负输入端串联二极管的防反接电路,正电压从电路板经过二极管,二极管导通,当电源正负极接反时,二极管截止。图右侧为相应的使用场效应管设计的原理,采用N-MOS管进行设计,请注意N-MOS管D极和S极的方向,接错起不到防反作用。

场效应管防反接电路原理

  防反原理分析:当电源正负极输入正常时,N-MOS管的控制极G为正电压,接通瞬间,电路板负极电流从寄生二极管D1流向电源负极,此时若电压满足要求,电路板是可以正常工作的,只是有约0.7V的压降。当负极电流流向电源负极之后,N-MOS管的S极为低电平(电压约0.7V),VGS=VCC-0.7V,场效应管导通,压降变小。其工作原理也是,刚开始场效应管截止,电流走寄生二极管,之后S极变低电平触发场效应管导通,电流走场效应管。

  总结:N沟道和P沟道场效应管都可以设计防反接电路,但是其设计方法不同,一个是接在电源正输入端,一个是接在电源负输入端。使用场效应管作为防反接电路设计,一般使场效应管工作在饱和区,内阻小,管子内耗也小。因此,一般应用在输入电源较大的场合,一般5V以上,具体要看管子饱和时的控制电压,不同管子其饱和时控制电压不同,一般5V~10V。比如3.3V电源系统就不适合使用场效应管作为防反接电路设计了,因为触发电压只有3.3V-0.7V=2.6V,无法触发场效应管导通。

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