眾所周知，我們使用的大部分電子元件都是直流環(huán)境且電源正接下工作的，但是一旦電源出現(xiàn)反接的情況就有可能損壞電子元件，使其不能正常工作。這個(gè)時(shí)候，就需要我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)中，要考慮電源防反接電路，以此來避免因?yàn)椴僮鞑划?dāng)導(dǎo)致電源反接。

首當(dāng)其沖我們肯定會(huì)想到二極管，運(yùn)用PN結(jié)的單向?qū)ㄌ匦钥梢杂行У姆乐闺娫捶唇佣鴵p壞電路，但是二極管的PN結(jié)本身存在0.5~0.6V的壓降并且只能流過小電流，只能適用于小功率的場(chǎng)合。如果在大功率的場(chǎng)合下使用二極管防反接，就需要考慮二極管的功耗問題。所以在大功率的電路設(shè)計(jì)中，面對(duì)這種問題我們不得不考慮其他的元件代替二極管進(jìn)行防反接保護(hù)。

在晶體管中導(dǎo)通壓降最低的就屬MOSFET場(chǎng)效應(yīng)晶體管了，MOSFET中由于制造工藝的問題，N-MOSFET的導(dǎo)通電阻最小，能持續(xù)流過的電流最大，但是能承受的壓降較小，價(jià)格也比較能夠承受。本文設(shè)計(jì)我們采用N-MOSFET進(jìn)行電源防反接保護(hù)。

(1) 二極管防反接電路原理

圖1 二極管防反接電路原理圖

從圖1可以看出，利用二極管D1的單向?qū)ㄌ匦?，?shí)現(xiàn)防反接功能，這種方法簡(jiǎn)單、安全可靠、成本低廉，但是負(fù)載Rload兩端的電壓較輸入電壓Vin少了一個(gè)二極管D1的電壓，并且負(fù)載不能太大（電阻不能太?。駝t有可能因?yàn)殡娏鬟^大而燒壞二極管D1，就這直接決定了這種電路不能適用于大功率。

(2) N-MOSFET防反接電路原理

圖2 N-MOSFET防反接電路原理圖

從圖2可以看出，電源電流走向先經(jīng)過負(fù)載然后從Q1 N-MOSFET的S極出N-MOSFET的D極，由于N-MOSFET的DS之間中存在寄生二極管，所以第一階段負(fù)載兩端的電壓為：

第二階段由于電源VCC還從R1、R2、Q1流過，由于R1和R2的存在會(huì)在Q1 N-MOSFET的GS之間建立壓降：

這是一個(gè)正反饋的原理，當(dāng)大于Q1 N-MOSFET的GS之間閾值電壓，那么Q1 N-MOSFET的DS之間就會(huì)被導(dǎo)通，隨著時(shí)間增加，N-MOSFET的DS之間就會(huì)等效為一個(gè)幾毫歐姆的電阻，就算在兩端流過大電流也不會(huì)有很大壓降產(chǎn)生。此時(shí)負(fù)載兩端電壓為：

通常在高電壓的場(chǎng)合，可以在R2兩端加一個(gè)穩(wěn)壓二極管，防止電源受到干擾產(chǎn)生尖峰波，從而使得N-MOSFET的GS之間電壓瞬間高于極限電壓Vgss而燒毀，如圖3是HY1603D的極限參數(shù)表，從圖中可以得到Vgss最高為20V。

圖3 HY1603D極限參數(shù)圖

當(dāng)然在低電壓的場(chǎng)合完全用不到穩(wěn)壓二極管D2，所以電路圖可以簡(jiǎn)化為圖4所示。

圖4 一般情況下N-MOSFET防反接電路

(3) N-MOSFET防反接電路原理注意事項(xiàng)

(3.1) 兩個(gè)電阻怎么選值？

圖5 N-MOSFET放反接電路原理圖

如圖5所示電路中，怎么確定圖5中R1和R2的具體阻值？這個(gè)就需要根據(jù)各個(gè)MOSFET的型號(hào)確定了，因?yàn)椴煌腗OSFET的閾值電壓都是不一樣的，這里以HY1603D為例。從它的Datasheet中可以看出閾值電壓最大值為2.5V，如圖6所示。

圖6 HY1603D電氣特性參數(shù)圖

也就是我只要設(shè)置HY1603D的GS之間的電壓超過2.5V就可以使其導(dǎo)通，但是實(shí)際上通常是要取比2.5V高的電壓，這個(gè)可以從它的輸出特性圖看出。如圖7Vds與Id的特性曲線圖以及圖8Vgs與導(dǎo)通電阻Rds特性曲線圖所示。

圖7 Vds與Id的特性曲線圖

圖8 Vgs與導(dǎo)通電阻Rds特性曲線圖

從圖7可以得知當(dāng)Vgs電壓為3V時(shí)流過電流最大為10A，當(dāng)Vgs電壓為4.5V以上流過的電流最大可達(dá)140A，所以從圖7可知Vgs電壓最好設(shè)置在4.5V以上。從圖8可以得知，隨著Vgs之間的電壓增大，MOSFET之間的導(dǎo)通電壓Rds越來越小，并且在4.5V時(shí)是一個(gè)拐點(diǎn)，隨著Vgs繼續(xù)增大，Rds變化不怎么明顯。所以從圖7和圖8可以得出結(jié)論，HY1603D的閾值電壓最好設(shè)置在4.5V以上，為方便計(jì)算這里取5V，VCC取10V。

所以滿足的關(guān)系為：

通常情況下，取常用電阻1K、2.2K，這里取1K，所以R2=1K將代入式（5）可以求得R1=1K。那豈不是R1我可以取100K？

(3.2) 兩個(gè)電阻這樣接合適嘛？

圖9 N-MOSFET電阻另一種接法圖

如圖9所示，如果電阻R6我直接接到N-MOSFET的另一端可以嗎？答案是不可以的，因?yàn)閺牡?節(jié)圖3 HY1603D極限參數(shù)圖我們可以知道，Vgss最高電壓為20V同時(shí)也存在最低電壓為-20V，這樣接就有可能使得Vgs之間的電壓比Vgss最低極限電壓還大（這里的大指絕對(duì)值）從而燒毀MOSFET。