如何利用N-MOSFET进行电源防反接保护电路设计？

众所周知，我们使用的大部分电子元件都是直流环境且电源正接下工作的，但是一旦电源出现反接的情况就有可能损坏电子元件，使其不能正常工作。这个时候，就需要我们在实际设计中，要考虑电源防反接电路，以此来避免因为操作不当导致电源反接。

首当其冲我们肯定会想到二极管，运用PN结的单向导通特性可以有效的防止电源反接而损坏电路，但是二极管的PN结本身存在0.5~0.6V的压降并且只能流过小电流，只能适用于小功率的场合。如果在大功率的场合下使用二极管防反接，就需要考虑二极管的功耗问题。所以在大功率的电路设计中，面对这种问题我们不得不考虑其他的元件代替二极管进行防反接保护。

在晶体管中导通压降最低的就属MOSFET场效应晶体管了，MOSFET中由于制造工艺的问题，N-MOSFET的导通电阻最小，能持续流过的电流最大，但是能承受的压降较小，价格也比较能够承受。本文设计我们采用N-MOSFET进行电源防反接保护。

(1) 二极管防反接电路原理

图1 二极管防反接电路原理图

从图1可以看出，利用二极管D1的单向导通特性，实现防反接功能，这种方法简单、安全可靠、成本低廉，但是负载Rload两端的电压较输入电压Vin少了一个二极管D1的电压，并且负载不能太大（电阻不能太小），否则有可能因为电流过大而烧坏二极管D1，就这直接决定了这种电路不能适用于大功率。

(2) N-MOSFET防反接电路原理

图2 N-MOSFET防反接电路原理图

从图2可以看出，电源电流走向先经过负载然后从Q1 N-MOSFET的S极出N-MOSFET的D极，由于N-MOSFET的DS之间中存在寄生二极管，所以第一阶段负载两端的电压为：

第二阶段由于电源VCC还从R1、R2、Q1流过，由于R1和R2的存在会在Q1 N-MOSFET的GS之间建立压降：

这是一个正反馈的原理，当大于Q1 N-MOSFET的GS之间阈值电压，那么Q1 N-MOSFET的DS之间就会被导通，随着时间增加，N-MOSFET的DS之间就会等效为一个几毫欧姆的电阻，就算在两端流过大电流也不会有很大压降产生。此时负载两端电压为：

通常在高电压的场合，可以在R2两端加一个稳压二极管，防止电源受到干扰产生尖峰波，从而使得N-MOSFET的GS之间电压瞬间高于极限电压Vgss而烧毁，如图3是HY1603D的极限参数表，从图中可以得到Vgss最高为20V。

图3 HY1603D极限参数图

当然在低电压的场合完全用不到稳压二极管D2，所以电路图可以简化为图4所示。

图4 一般情况下N-MOSFET防反接电路

(3) N-MOSFET防反接电路原理注意事项

(3.1) 两个电阻怎么选值？

图5 N-MOSFET放反接电路原理图

如图5所示电路中，怎么确定图5中R1和R2的具体阻值？这个就需要根据各个MOSFET的型号确定了，因为不同的MOSFET的阈值电压都是不一样的，这里以HY1603D为例。从它的Datasheet中可以看出阈值电压最大值为2.5V，如图6所示。

图6 HY1603D电气特性参数图

也就是我只要设置HY1603D的GS之间的电压超过2.5V就可以使其导通，但是实际上通常是要取比2.5V高的电压，这个可以从它的输出特性图看出。如图7Vds与Id的特性曲线图以及图8Vgs与导通电阻Rds特性曲线图所示。

图7 Vds与Id的特性曲线图

图8 Vgs与导通电阻Rds特性曲线图

从图7可以得知当Vgs电压为3V时流过电流最大为10A，当Vgs电压为4.5V以上流过的电流最大可达140A，所以从图7可知Vgs电压最好设置在4.5V以上。从图8可以得知，随着Vgs之间的电压增大，MOSFET之间的导通电压Rds越来越小，并且在4.5V时是一个拐点，随着Vgs继续增大，Rds变化不怎么明显。所以从图7和图8可以得出结论，HY1603D的阈值电压最好设置在4.5V以上，为方便计算这里取5V，VCC取10V。

所以满足的关系为：

通常情况下，取常用电阻1K、2.2K，这里取1K，所以R2=1K将代入式（5）可以求得R1=1K。那岂不是R1我可以取100K？

(3.2) 两个电阻这样接合适嘛？

图9 N-MOSFET电阻另一种接法图

如图9所示，如果电阻R6我直接接到N-MOSFET的另一端可以吗？答案是不可以的，因为从第2节图3 HY1603D极限参数图我们可以知道，Vgss最高电压为20V同时也存在最低电压为-20V，这样接就有可能使得Vgs之间的电压比Vgss最低极限电压还大（这里的大指绝对值）从而烧毁MOSFET。