經(jīng)典電源保護(hù)電子電路設(shè)計(jì)精華盤點(diǎn)

在電源電子電路設(shè)計(jì)中存在一些不穩(wěn)定因素，而設(shè)計(jì)用來防止此類不穩(wěn)定因素影響電路效果的回路稱作保護(hù)電路。比如有過流保護(hù)、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)、空載保護(hù)、短路保護(hù)等。鋰電池保護(hù)電路由兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和專用保護(hù)集成塊S8232組成，過充電控制管FET2和過放電控制管FET1串聯(lián)于電路，由保護(hù)IC監(jiān)視電池電壓并進(jìn)行控制，當(dāng)電池電壓上升至4.2V時(shí)，過充電保護(hù)管FET2截止，停止充電。

電容在中低頻或直流情況下，就是一個(gè)儲(chǔ)能組件，只表現(xiàn)為一個(gè)電容的特性，但在高頻情況下，它就不僅僅是個(gè)電容了，它有一個(gè)理想電容的特性，有漏電流(在高頻等效電路上表現(xiàn)為R)，有引線電感，還在導(dǎo)致電壓脈沖波動(dòng)情況下發(fā)熱的ESR(等效串聯(lián)電阻)。

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從這個(gè)圖上分析，能幫我們?cè)O(shè)計(jì)師得出很多有益的設(shè)計(jì)思路。第一，按照常規(guī)思路，1/2πfc是電容的容抗，應(yīng)該是頻率越高，容抗越小，濾波效果越好，即越高頻的雜波越容易被泄放掉，但事實(shí)并非如此，因?yàn)橐€電感的存在，一支電容僅僅在其1/2πfc=2πf L等式成立的時(shí)候，才是整體阻抗最小的時(shí)候，濾波效果才最好，頻率高了低了都會(huì)濾波效果下降，由此就可以分析出結(jié)論，為什么在IC的VCC端都會(huì)加兩支電 容，一支電解的，一支瓷片的，并且容值一般相差100倍以上多一點(diǎn)。就是兩支不同的電容的諧振頻率點(diǎn)岔開了一段距離，既利于對(duì)稍高頻的濾波，也利于對(duì)較低頻的濾波。

防反接保護(hù)電路

通常情況下直流電源輸入防反接保護(hù)電路是利用二極管的單向?qū)щ娦詠韺?shí)現(xiàn)防反接保護(hù)。如下圖1示：這種接法簡(jiǎn)單可靠，但當(dāng)輸入大電流的情況下功耗影響是非常大的。以輸入電流額定值達(dá)到2A，如選用Onsemi的快速恢復(fù)二極管 MUR3020PT，額定管壓降為0.7V，那么功耗至少也要達(dá)到：Pd=2A×0.7V=1.4W，這樣效率低，發(fā)熱量大，要加散熱器。另外還可以用二極管橋?qū)斎胱稣鳎@樣電路就永遠(yuǎn)有正確的極性(圖2)。這些方案的缺點(diǎn)是，二極管上的壓降會(huì)消耗能量。輸入電流為2A時(shí)，圖1中的電路功耗為1.4W，圖2中電路的功耗為2.8W。

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圖1 一只串聯(lián)二極管保護(hù)系統(tǒng)不受反向極性影響，二極管有0.7V的壓降

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圖2 是一個(gè)橋式整流器，不論什么極性都可以正常工作，但是有兩個(gè)二極管導(dǎo)通，功耗是圖1的兩倍。

利用MOS管的開關(guān)特性，控制電路的導(dǎo)通和斷開來設(shè)計(jì)防反接保護(hù)電路，由于功率MOS管的內(nèi)阻很小，解決了現(xiàn)有采用二極管電源防反接方案存在的壓降和功耗過大的問題。

MOS管型防反接保護(hù)電路

圖3利用了MOS管的開關(guān)特性，控制電路的導(dǎo)通和斷開來設(shè)計(jì)防反接保護(hù)電路，由于功率MOS管的內(nèi)阻很小，現(xiàn)在 MOSFET Rds(on)已經(jīng)能夠做到毫歐級(jí)，解決了現(xiàn)有采用二極管電源防反接方案存在的壓降和功耗過大的問題。極性反接保護(hù)將保護(hù)用場(chǎng)效應(yīng)管與被保護(hù)電路串聯(lián)連接。保護(hù)用場(chǎng)效應(yīng)管為PMOS場(chǎng)效應(yīng)管或NMOS場(chǎng)效應(yīng)管。若為PMOS，其柵極和源極分別連接被保護(hù)電路的接地端和電源端，其漏極連接被保護(hù)電路中PMOS元件的襯底。若是NMOS，其柵極和源極分別連接被保護(hù)電路的電源端和接地端，其漏極連接被保護(hù)電路中NMOS元件的襯底。一旦被保護(hù)電路的電源極性反接，保護(hù)用場(chǎng)效應(yīng)管會(huì)形成斷路，防止電流燒毀電路中的場(chǎng)效應(yīng)管元件，保護(hù)整體電路。具體N溝道MOS管防反接保護(hù)電路電路如圖3示。

N溝道MOS管通過S管腳和D管腳串接于電源和負(fù)載之間，電阻R1為MOS管提供電壓偏置，利用MOS管的開關(guān)特性控制電路的導(dǎo)通和斷開，從而防止電源反接給負(fù)載帶來損壞。正接時(shí)候，R1提供VGS電壓，MOS飽和導(dǎo)通。反接的時(shí)候MOS不能導(dǎo)通，所以起到防反接作用。功率MOS管的 Rds(on)只有20mΩ實(shí)際損耗很小，2A的電流，功耗為(2×2)×0.02=0.08W根本不用外加散熱片。解決了現(xiàn)有采用二極管電源防反接方案存在的壓降和功耗過大的問題。

小結(jié)：本文著重介紹了電源中保護(hù)電路設(shè)計(jì)過程，利用場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻作為檢測(cè)電阻，監(jiān)視它的電壓降，當(dāng)電壓降超過設(shè)定值時(shí)就停止放電。在一般的情況下，電路中一般還加有延時(shí)電路，以區(qū)分浪涌電流和短路電流，總得來說電路功能比較完善，值得仔細(xì)品讀。