保護(hù)系統(tǒng)不受反向電流的影響

在使用電子元器件時，你有時候不可避免地會聞到芯片燒焦的味道。這都是反向電流惹的禍。反向電流就是由于出現(xiàn)了高反向偏置電壓，系統(tǒng)中的電流以相反的方向運行；從輸出到輸入。幸運的是，有很多方法可以保護(hù)你的系統(tǒng)不受反向電流的影響。

原因

反向電流的最常見原因，即反向偏置電壓，就是輸出上的電壓要高于輸入上的電壓，從而使電流在系統(tǒng)中的流動方向與你希望的流動方向相反。圖1中顯示了這個情況。

圖1：反向電流

VIN 由于功率損耗突然變?yōu)榱?，使得系統(tǒng)輸出上的電壓高于輸入電壓，這種情況是有可能發(fā)生的?；蛘呤?a target="_blank">電源意外地導(dǎo)致了一個反向電壓事件。

如何防止

反向電流有可能損壞內(nèi)部電路和電池等電源。事實上，甚至是電纜都有可能被損壞，連接器的性能也會被降低。這也是器件著火的原因，就是因為大電流導(dǎo)致功率耗散呈指數(shù)級別的上升。

保護(hù)功能需要將反向電流保持在非常低的水平上。這意味著對于反向電壓的限制。有三種常用的方法可以防止反向電流：

二極管

FET

負(fù)載開關(guān)的系統(tǒng)。

二極管

二極管與FET相比，它的成本更低，更易于集成。它們非常適合于高壓、低電流應(yīng)用。然而，如果你曾經(jīng)使用過二極管的話，你一定非常熟悉它所導(dǎo)致的正向壓降較大，而這會縮短電池使用壽命，并且使VCC（通常情況下）大約下降0.6-0.8V。這個壓降會降低電源電路的效率，并且增加系統(tǒng)的總體功率耗散。

基于這些原因，肖特基二極管是常見的替代器件；它們的正向壓降更低。不過，它們也更加昂貴，且具有更高的反向電流泄露，而這會導(dǎo)致系統(tǒng)問題。圖2顯示的是系統(tǒng)中的一個用來阻斷反向電流的二極管。

圖2：二極管反向電流保護(hù)

FET

由于其低正向電壓和高電流處理能力，F(xiàn)ET會在你必須保持較低功率耗散時提供幫助。對于一個放置在接地路徑中的N類型金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS) FET來說，使體二極管的方向與正常電流流向保持一致。通過使用這種方法，如果有人錯誤地安裝了電池，柵極電壓為低電平，這就防止了FET接通。然而，當(dāng)電池安裝正確時，柵極電壓為高電平，它的通道短接至地。

為了在FET關(guān)閉時阻斷兩個方向上的電流，可將兩個FET背靠背連接。與二極管解決方案相比，電源到負(fù)載的壓降更低，不過這種實現(xiàn)方式占用了大量的電路板面積。圖3顯示了用來阻斷反向電流的兩個背靠背FET示例。

圖3：用雙FET實現(xiàn)的反向電流阻斷

負(fù)載開關(guān)

負(fù)載開關(guān)是可打開和關(guān)閉電源軌的電子開關(guān)。當(dāng)內(nèi)部FET導(dǎo)通時，電流從輸入流向輸出，并將功率傳遞至下游電路。使能該器件后，可以通過調(diào)節(jié)外部引腳（CT引腳）上的電容來控制輸出電壓（VOUT）的上升時間(防浪涌)。

負(fù)載開關(guān)是用來接通和關(guān)閉電源軌的集成電子中繼器。大多數(shù)基本負(fù)載開關(guān)采用小型集成封裝，由四個引腳組成：輸入電壓、輸出電壓、使能、和接地，并且包含多重特性，其中有反向電流保護(hù)。圖4顯示了一個用來阻斷反向電流的負(fù)載開關(guān)。

圖4：負(fù)載開關(guān)反向電流保護(hù)

反向電流實例

USB type-C

在USB Type-C應(yīng)用中，USB Type-C端口可以提供5 V，12 V和20 V的電源。USB還使用5和12 V電源軌為內(nèi)部設(shè)備組件供電，但是它非常敏感。外部電壓干擾。如果USB端口提供20 V電源，則應(yīng)保護(hù)12 V和5 V內(nèi)部電源軌免受較高輸出電壓引起的反向電流的影

響。

USB type-C電源rails

FET用作電源開關(guān)：

浪涌電流控制可保護(hù)在負(fù)載附近包含大容量電容器的系統(tǒng)。最初給系統(tǒng)供電時，對這些電容器進(jìn)行充電會導(dǎo)致較大的浪涌電流，超過額定負(fù)載電流。如果不加以解決，這可能會導(dǎo)致電壓軌由于壓降而掉落至不規(guī)范狀態(tài)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入不良狀態(tài)。負(fù)載開關(guān)可以通過使用CT引腳管理電源軌的上升時間來減輕浪涌電流。這導(dǎo)致線性輸出擺率，不會造成電壓突降或不需要外部穩(wěn)壓器。

負(fù)載開關(guān)作用--輸入電源低、快速關(guān)斷

禁用該器件時，可通過快速輸出放電（QOD）控制VOUT的下降時間。每當(dāng)關(guān)閉供電電源時，QOD都會將輸出拉至地，以防止輸出浮動或進(jìn)入不確定狀態(tài)。

多路供電系統(tǒng)

功率多路復(fù)用（也稱為功率多路復(fù)用）是一種使用開關(guān)電路為系統(tǒng)選擇多個電源之一并具有在它們之間進(jìn)行切換的能力的實踐。圖9顯示了此配置。

如果其中一個電源電壓高于另一個電源電壓，則即使另一個電源導(dǎo)軌具有“斷開”開關(guān)，也可能會產(chǎn)生反向電流。這在使用FET切換電源的情況下發(fā)生。在“開路” FET的輸出端看到的較高電壓會導(dǎo)致反向電流從較高電壓電源流過FET體二極管，并流入較低電壓電源。圖10顯示了一個示例，其中將3.3 V電源軌的開關(guān)“斷開”時向系統(tǒng)施加了5 V電壓。

Figure 9多路供電系統(tǒng)

Figure 10反向電流產(chǎn)生

結(jié)論

有數(shù)個原因會導(dǎo)致反向電流，VIN的突然損耗，或者是電源MUX中的突發(fā)事件。這會導(dǎo)致系統(tǒng)損壞，甚至?xí)p壞電源。負(fù)載開關(guān)可以成為管理反向電流的一個尺寸、成本都很合適的解決方案。