一、傳統處理電源電壓反轉方法

處理電源電壓反轉有一些眾所周知的方法，最明顯的解決方案是在電源和負載之間連接一個二極管，但二極管的正向電壓會導致功耗增加。在實際應用二極管并不可取，因為電池在充電時必須吸收電流，在不充電時必須提供電流。 ? 另一種方法是使用 MOS電路，如下所示。 該技術的比在負載側電路中使用二極管會更好一點，因此電源電壓會升壓MOS，從而降低壓降并顯著提高電導。 由于分立NMOS管具有更強的導電性，成本更低，可用性也更高，因此 NMOS 版本比 PMOS 版本好，當電池電壓為正時，兩個電路中的MOS管均導通，當電池電壓反向時，則斷開。 PMOS管版本具有較高電勢，而 NMOS管版本具有較低電勢，因此 MOS管的物理”漏極“成為電源。 MOS管 在兩個方向上都能很好地傳導電流，因為它們在三極管區域中是電對稱的。使用此方法時，晶體管的最大 VGS 和 VDS 額定值必須高于電池電壓。

傳統負載側反接保護

不過，該解決方案只適用于負載側電路，不使用電池充電電路。電池充電器提供電源，重新啟用MOS管，并恢復電池反向連接。下圖顯示了正在運行的 NMOS管版本，電池處于故障狀態。

帶一個電池充電器的負載側保護電路

當電池插入時，電池充電器關閉，并且負載和電池充電器與反向電池安全分離。當充電器打開時（例如連接輸入電源連接器），NMOS 的柵極和源極之間會產生電壓，從而提高 NMOS 的傳導電流的能力。下圖更詳細地描述了這一點。

統電池反向保護方案對電池充電器電路無效 盡管負載和充電器受到反向電壓保護，但保護性 MOSFET 仍面臨高功耗問題。然后電池充電器變成電池放電器。當電池充電器為 MOSFET提供足夠的柵極支持以吸收充電器電流時，電路將達到平衡。 如果大功率 MOS管 的 VTH 約為 2V，并且充電器可以提供 2V 電流，則電池充電器輸出電壓將調節在 2V（MOS管 漏 極為 2V + 電池電壓） 。ICHARGE?(VTH+VBAT) 是MOS管中的功耗 ，這會導致 MOS管 加熱并從印刷電路板上散熱。該電路的 PMOS 版本也是如此。 下面介紹了此方法的兩種替代方法，每種方法都有自己的優點和缺點。

二、N 溝道 MOSFET 設計

1、第一種解決方案時使用NMOS隔離器件 根據電路算法，如果電池電壓超過電池充電器輸出電壓，則必須禁用隔離MOS管。 在此電路中，MN1 連接在充電器/負載和電池端子之間的電線的低壓側，像上面的 NMOS 管方法中的情況一樣。 然而，在電池反向連接的情況下，晶體管 MP1 和 Q1 現在提供禁用 MN1 的檢測電路。通過將電池反接， MP1的來源 上升到其柵極上方，該柵極連接到充電器的正極端子。接著 MP1的漏極通過 R1 向 Q1 的基極提供電流。然后，MN1 的柵極通過 Q1 分流至地，從而防止充電電流流入 MN1。

電池反接電路 在反向檢測期間，R1 負責管理流向 Q1 的基極電流，而 R2 負責在正常工作期間為 Q1 的基極提供泄放電流。R3 允許 Q1 將 MN1 的柵極拉至地電位。R3/R4 分壓器控制 MN1 柵極上的電壓，使柵極電壓在反向電池熱插拔期間下降得更小。 最壞的情況是當反向電池連接到已經運行并提供恒定電壓水平的電池充電器時。在這種情況下，必須盡快關閉 MN1，以減少高功率消耗的時間。 該版本電路中的 R3 和 R4 最適合 12V 鉛酸電池應用，但在單節和兩節等較低電壓應用中可以省略 R4 鋰離子 設備。在電池反向連接期間，電容C1 充當超快速電荷泵，降低 MN1 的柵極電平。當連接反向電池時，C1 在充電器再次啟用的最壞情況下很有用。

電池反接電路 該電路的缺點是需要使用額外的元件，并且 R3/R4 分壓器對電池造成較小但持續的壓力。 大多數此類組件都很小。MP1 和 Q1 不是功率器件，通常采用 SOT23-3、SC70-3 或更小的 SOT23-3、SC70-3 或更小的 SOT23-3、SC70-3 或更小的 SOT23-3、SC70-3、或更小的S. 因為MN1是傳輸器件，所以應該具有優良的導電性，但不需要特別大。 即使對于中等導電器件，其功耗也很低，因為它工作在深三極管區域并且具有很強的柵極強化。例如，寬度小于 100m 的晶體管通常采用 SOT23-3 封裝。

電池反擊電路 利用微小的傳輸晶體管的缺點是，由于與電池充電器串聯的電阻增加，導致恒壓充電階段的充電時間增加。如果電池及其連線等效串聯電阻為100m，并采用100m隔離晶體管，則恒壓充電階段的充電時間會增加。(更多干貨@電路一點通) MP1 和 Q1 的檢測和停用電路無法很快停用 MN1，而且也不必如此。在電池反向連接期間，MN1 消耗大量電量，但關斷電路只是“最后”斷開 MN1。MN1 必須在加熱到造成傷害之前斷開連接。 幾十微秒的斷開時間可能就足夠了。然而，在反向電池有機會將充電器和負載電壓拉至負值之前禁用 MN1 至關重要，因此需要 C1。該電路本質上具有一條交流和一條 直流 禁用路徑。 2、測試電路 使用鉛酸電池和 LTC4015 電池充電器來測試該電路。當反向電池熱插拔時，電池充電器關閉，如下圖所示，充電器和負載不受反向電壓的影響。

充電器關閉狀態下的 NMOS 保護電路 值得一提的是，MN1 要求 VDS 與電池電壓相同，VGS 為電池電壓的 1/2。MP1 需要與電池電壓相同的 VDS 和 VGS 額定值。 當反向電池熱插拔時，下圖描述了更嚴重的情況，其中電池充電器已經正常運行。電池反向連接會降低充電器的電壓，直到檢測和保護電路將其關閉，從而使充電器能夠安全地恢復到其恒定電壓水平。 一種應用與另一種應用的動態會有所不同，并且電池充電器的電容將對最終輸出產生重大影響。本測試中的電池充電器具有高 Q 值陶瓷電容和低 Q 值聚合物電容。

充電器運行時的NMOS保護電路 最后，在電池充電器上，建議使用鋁聚合物和鋁電解電容，以提高常規正極電池熱插拔期間的性能。 由于其嚴重的非線性，純陶瓷電容在熱插拔時會產生相當大的過沖；其原因是，當電壓從 0V 升至額定電壓時，它們的電容會下降驚人的 80%。這種非線性會導致低電壓下的快速電流和電壓升高時電容快速減小的致命組合，從而導致非常高的電壓過沖。 最有彈性的組合似乎是陶瓷電容與低 Q 電壓穩定鋁電容甚至鉭電容配對。

三、P 溝道 MOSFET 設計

1、PMOS 晶體管作為保護器件 本電路中 MP1為電池反接檢測器件， MP2 為反接隔離器件。使用 MP1 的源極至柵極電壓將電池的正極端子與電池充電器輸出進行比較。如果電池充電器端電壓高于電池電壓，MP1將禁用主傳輸裝置 MP2 。 結果，如果電池電壓被驅動至低于地電壓，則檢測器件 MP1將明顯導致傳輸器件MP2關斷（干擾其柵極到其源極）。無論電池充電器是否啟用并創建充電電壓，都會完成此操作（0V）。

PMOS 晶體管傳輸元件版本 該電路最顯著的好處是 PMOS隔離晶體管 MP2 無權向充電器電路或負載提供負電壓。下圖顯示了這一點。 通過 R1，MP2 柵極上可達到的最低電壓為 0V。盡管 MP2 的漏極被拖至地底以下，但源極并未施加顯著的電壓下行壓力。晶體管將自行去偏壓，其導電性將逐漸消失，直到源電壓降至 VTH（此時晶體管高于地電壓）。 晶體管的去偏壓程度越高，源電壓越接近地。這一特性加上簡單的拓撲結構，使得該方法比之前討論的 NMOS 方法更具吸引力。與 NMOS 方法相比，PMOS 晶體管的缺點是電導率較低且成本較高。

共源共柵效應說明 盡管該電路比 NMOS 技術簡單，但它有一個很大的缺點。雖然它始終可以防止反向電壓，但電路可能并不總是連接到電池。 當門如圖所示交叉耦合時，該電路會生成鎖存存儲元件，該元件能夠拾取不正確的狀態。有一種情況，當充電器產生電壓（比如12V）時，電池以較低的電壓（比如8V）連接，并且電路被拔掉，這很難執行。 在這種情況下，MP1 的源極至柵極電壓為 +4V，這會增強 MP1，同時禁用 MP2。下圖 描述了這種情況，并給出了節點的穩定電壓。

使用 PMOS 保護電路時可能的阻斷狀態圖 當連接電池時，充電器必須已經運行才能實現這種情況。如果在充電器打開之前連接電池，電池會拉高 MP1 的柵極電壓，從而停用 MP1。當充電器打開時，它會產生受控電流（而不是大電流浪涌），這會減少 MP1 打開而 MP2 保持關閉的機會。 如果在連接電池之前啟用充電器，MP1 的柵極將簡單地跟隨電池充電器輸出，因為泄放電阻器R2 將其上拉。當電池未插入時，MP1 不會打開并使 MP2 停止運行。 當充電器已打開且電池已連接時，就會出現問題。在這種情況下，充電器輸出和電池端子之間存在短暫的電壓差，導致當充電器電容器由于電池電壓而下降時，MP1 禁用 MP2。這導致 MP2 從充電器電容吸取電荷的能力與 MP1 禁用 MP2 的能力之間的斗爭。

2、測試電路

使用鉛酸電池和 LTC4015 電池充電器來測試電路。 將嚴重負載的 6V 電源（例如電池仿真）連接到已啟用的電池充電器將永遠不會觸發“斷開連接”情況。所進行的測試還不夠，重要的應用程序應該進行廣泛的測試。即使電路鎖定，斷開并重新啟用電池充電器也始終會導致重新連接。 在R1的頂部和電池充電器的輸出之間臨時連接可以用來指示故障情況。另一方面，該電路被認為更容易發生連接。如果發生連接故障，可以創建一個電路，使用多個設備禁用電池充電器。下圖顯示了更完整的電路。

更高電壓電池反接保護 當充電器關閉時，下圖顯示了 PMOS 保護電路的效果。需要注意的是，電池充電器和負載電壓永遠不會遇到負電壓傳輸。

充電器關閉時的PMOS 保護電路 在“反向電池熱插拔時充電器已經運行”的不利情況下，電路如下所示。反向電池與 NMOS 電路一樣，在斷開電路并關閉傳輸晶體管 MP2 之前會稍微降低充電器和負載電壓。 在該版本的電路中，晶體管 MP2 必須能夠承受兩倍于電池電壓的 VDS（一個用于充電器，一個用于反向電池），并且 VGS 等于電池電壓。 另一方面，MP1 必須維持等于電池電壓的 VDS 和兩倍于電池電壓的 VGS。這是很麻煩的，因為 MOSFET 晶體管的額定 VDS 總是超過額定 VGS。對于鉛酸電池應用，可以使用具有 30V VGS 和 40V VDS 容差的晶體管。為了支持更高電壓的電池，必須通過添加齊納二極管和限流電阻來修改電路。

充電器運行時PMOS保護電路 下圖顯示了能夠處理兩個串聯堆疊的鉛酸電池的電路示例。

更高電壓電池反接保護 D1、D3 和 R3 可以保護 MP2 和 MP3 的柵極免受高壓損壞。當熱插反電池時，D2 可防止 MP3 的柵極和電池充電器的輸出快速下降至低于接地電壓。當電路出現電池反接或處于錯誤斷開鎖定狀態時，MP1 和 R1 使用 LTC4015 缺失的 RT 功能來禁用電池充電器。 ?

編輯：黃飛

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