在标准的防电源反接电路中,通常使用PMOS或NMOS管,二极管,整流桥,但具体配置和逻辑会根据所选的MOS类型有所不同。
使用PMOS管
在防电源反接电路中,如果使用PMOS管,通常会将PMOS的源极(S)连接到负载的正极,漏极(D)连接到输入电源的正极,栅极(G)通过一个电阻分压网络连接到输入电源,并可能通过一个二极管或稳压二极管来确保在电源反接时栅极电压不会过高。
电源正确接入时:输入电源5V连接到PMOS的漏极(D)。栅极(G)通过一个电阻分压网络连接到电源,确保Ugs(栅源电压)为负值,使PMOS管导通。由于PMOS导通,电源通过PMOS管流向负载,负载得到正常供电。
二极管和S极电压为4.3V的情况,在标准的PMOS防反接电路中并不常见。如果确实使用了二极管,可能是为了某种特定的电压保护或电平转换目的,但这并不是防反接电路的标准做法。
电源反接时:
输入电源的负极连接到PMOS的漏极(D),正极连接到地。由于栅极(G)通过电阻分压连接到的是反接的电源正极(即地),Ugs将保持为正值(或接近0,取决于电阻分压网络的设计),因此PMOS管不会导通。
负载因此被断开,从而保护了后级电路。
图一:
PMOS管配置:PMOS管的源极(S)连接到负载的正极,漏极(D)连接到输入电源的正极,栅极(G)通过一个电阻分压网络(或直接连接到某个合适的电压源,如一个稳压二极管或分压电阻网络连接到电源正极)来控制。
栅极电压:当电源极性正确时,栅极电压(VG)被设置为一个低于源极电压(VS,即负载电压)的电压,使得栅源电压(Ugs = VG - VS)为负值。这个负值电压使得PMOS管导通。
电流流动:由于PMOS管导通,电流可以从电源正极通过PMOS管流向负载,负载得到正常供电。
VDS:在此情况下,VDS(漏源电压)是正值,因为漏极电压(VD)高于源极电压(VS)。然而,这并不违反PMOS管的正常工作条件,因为PMOS管在Ugs为负时导通,而不是VDS的符号。
电源极性反接时:栅极电压:当电源极性反接时,栅极电压(VG)仍然连接到原电源的正极(现在变成了地或低电位),但由于源极(S)现在连接到了原电源的负极(现在变成了高电位),栅源电压(Ugs)将保持正值或接近零(取决于电阻分压网络的具体设计),这不足以使PMOS管导通。
电流流动:由于PMOS管截止,电流无法从反接的电源流向负载,从而保护了后级电路。
优点低导通电阻:PMOS管在导通状态下的电阻非常小,因此导通压降(VDS在导通状态下的压降)可以忽略不计,这对提高电路效率非常有利。
高可靠性:使用PMOS管作为防反接开关可以显著提高电路的可靠性,防止因电源极性错误而导致的电路损坏。
图二:
二极管:
原理
电源极性正确时:
二极管的正极连接到电源的正极,负极连接到负载的正极(或电路的输入端)。当电源极性正确时,二极管处于正向偏置状态,其正向压降(通常为0.2V至0.7V,具体取决于二极管的类型和温度)使得电流可以从电源正极通过二极管流向负载,负载得到供电。
电源极性反接时:当电源极性反接时,二极管的正极连接到电源的负极,负极连接到电源的正极(或地)。此时,二极管处于反向偏置状态,其反向电阻极大,几乎可以视为开路,因此电流无法通过二极管流向负载,从而保护了后级电路。
缺点压降问题:如您所述,二极管在正向导通时会有一个正向压降,这个压降会直接从电源电压中减去,导致负载电路实际得到的电压低于电源电压。对于某些对电压敏感的应用来说,这可能会成为一个问题。功耗:虽然二极管的功耗通常很低,但在高电流应用中,二极管的正向压降会导致一定的功耗,这可能会降低整个系统的效率。温度影响:二极管的正向压降会随着温度的变化而变化,这可能会在某些应用中引入不希望的电压变化。整流桥:
工作原理
电源极性正确时:
当电源极性正确时(即正极接正极,负极接负极),整流桥中的两个二极管处于正向导通状态,另外两个二极管处于反向截止状态。此时,整流桥的输出电压与输入电源的电压相同(但方向可能取决于整流桥的接线方式)。
电源极性反接时:
当电源极性反接时(即正极接负极,负极接正极),原本处于截止状态的两个二极管现在变为正向导通,而原本导通的两个二极管变为反向截止。这样,整流桥会自动将电源的正负极性进行调换,使得输出电压的极性保持不变(相对于负载而言)。然而,需要注意的是,这种“防反接”效果并不是真正的防反接,因为输出电压的极性相对于原始电源是反转的。
缺点
压降问题:正如您所指出的,整流桥在正向导通时会产生两个二极管的压降(每个二极管约0.2V至0.7V),这会导致负载电路实际得到的电压低于原始电源电压。对于需要高精度电压的应用来说,这可能会成为一个问题。
极性反转:虽然整流桥可以在电源极性反接时保持电路工作,但它会改变输出电压的极性。这可能会对一些对极性敏感的设备或电路造成损害或功能异常。
总结:
在防电源反接电路中,MOS管、二极管和整流桥各有优劣。PMOS管因其低导通电阻和高可靠性,成为高效防反接的首选,尤其适用于对电压敏感的应用。然而,二极管因其简单性和低成本,也常用于基本防反接保护,但需注意其正向压降和功耗问题。整流桥虽能自动纠正电源极性,但会引入额外的压降和可能的极性反转问题,不适用于所有场景。在选择防反接方案时,需根据具体应用场景、电压要求、电流大小及成本等因素综合考虑。