MOSFET-电池充电器的反向电压掩护-KIA MOS管

处置电源电压反转有几种尽人皆知的体例。最较着的体例是在电源和负载之间毗连一个二极管，可是因为二极管正向电压的缘由，这类做法会发生额外的功耗。

固然该体例很简练，可是二极管在便携式或备份利用中是不起感化的，因为电池在充电时必须接收电流，而在不充电时则须供给电流。另外一种体例是利用图1所示的 MOSFET 电路之一。

对负载侧电路而言，这类体例比利用二极管更好，因为电源 (电池) 电压加强了 MOSFET，是以发生了更少的压降和本色上更高的电导。该电路的 NMOS 版本比 PMOS 版本更好，因为分立式 NMOS 晶体管导电率更高、本钱更低且可用性更好。

在这两种电路中，MOSFET 都是在电池电压为正时导通，电池电压反转时则断开毗连。MOSFET 的物理“漏极”变成了电源，因为它在 PMOS 版本中是较高的电位，而在 NMOS 版本中则是较低的电位。

因为 MOSFET 在三极管地区中是电对称的，是以它们在两个标的目的上都能很好地传导电流。接纳此体例时，晶体管必须具备高于电池电压的最大 VGS 和 VDS 额外值。

遗憾的是，这类体例仅对负载侧电路有效，没法共同能够或许给电池充电的电路任务。电池充电器将发生电源，从头启用 MOSFET 并从头建立至反向电池的毗连。图2展现了接纳 NMOS 版本的一个实例，图中所示的电池处于毛病状况。

当电池接入时，电池充电器处于闲置状况，负载和电池充电器与反向电池宁静去耦。可是，若是充电器变至运转状况 (比方：附联了输入电源毗连器)，则充电器在 NMOS 的栅极和源极之间发生一个电压，这加强了 NMOS，从而完成电流传导。这一点在图3中更抽象。

负载和充电器虽与反向电压断绝，可是起掩护感化的 MOSFET 此刻面对的一大题目是功耗太高。在这类环境下，电池充电器变成了一个电池放电器。当电池充电器为 MOSFET 供给了充足的栅极撑持以接收由充电器保送的电流时，该电路将到达均衡。

比方，若是一个壮大 MOSFET 的 VTH 约为 2V，并且充电器能够或许在 2V 电压下供给电流，则电池充电器输入电压将不变在 2V (MOSFET 的漏极处在 2V + 电池电压)。

MOSFET 中的功耗为 ICHARGE ? (VTH + VBAT)，是以使 MOSFET 升温发烧，直到发生的热量闲逸分开印刷电路板。该电路的 PMOS 版本也是一样。上面将先容该体例的两种替换计划，这些替换计划各有优错误谬误。

一、N 沟道 MOSFET 设想

第一种计划接纳一个 NMOS 断绝器件，如图4所示。该电路的算法是：若是电池电压跨越了电池充电器输入电压，则必须停用断绝 MOSFET。

犹如上述的 NMOS 体例一样，在该电路中，MN1 毗连在介于充电器/负载和电池端子之间接线的高压侧。

可是，晶体管 MP1 和 Q1 此刻供给了一个检测电路，该电路在电池反接的环境下将停用 MN1。反接电池将 MP1 的源极升举至高于其毗连至充电器正端子的栅极。接着，MP1 的漏极经由过程 R1 将电流保送至 Q1 的基极。

而后，Q1 将 MN1 的栅极分流至地，避免充电电流在 MN1 中活动。R1 担任节制在反向检测时代流到 Q1 的基极电流，而 R2 则在一般操纵中为 Q1 的基极供给泄放。R3 付与了 Q1 将 MN1 的栅极拉至地电位的权限。R3/R4 分压器限定 MN1 栅极上的电压，如许栅极电压在反向电池热插拔时代不用降落那末多。

最坏环境是电池充电器已处于运转状况、发生其恒定电压电平，附联了一个反接电池时。在这类环境下，必需尽能够快地关断 MN1，以限定耗损高功率的时候。

该电路带有 R3 和 R4 的这一出格版本最合适 12V 铅酸电池利用，可是在单节和两节锂离子电池产物等较低电压利用中，能够免去 R4。

电容器 C1 供给了一个超疾速充电泵，以在反向电池附联时代下拉 MN1 的栅极电平。对最差景象 (附联一个反向电池时充电器已使能的状况再次呈现)，C1 很是有效。

该电路的错误谬误是须要额外的组件，R3/R4 分压器在电池上发生了一个固然很小、但倒是延续的负载。

此类组件大多是纤巧的。MP1 和 Q1 不是功率器件，并且凡是可接纳 SOT23-3、SC70-3 或更小的封装。MN1 应具备很是良好的导电性，因为它是传输器件，可是尺寸不用很大。

因为它在深三极管区任务，并且获得了大幅的栅极强化，是以其功耗即便对导电性中等的器件来讲也很低。比方，100m? 以下的晶体管也常常接纳 SOT23-3 封装。

不过，接纳一个小传输晶体管的错误谬误是：与电池充电器串连的额外阻抗耽误了恒定电压充电阶段的充电时候。比方，若是电池及其配线具备 100m? 的等效串连电阻，并且接纳了一个 100m? 的断绝晶体管，那末恒定电压充电阶段中的充电时候将加倍。

MP1 和 Q1 构成的检测和停用电路停用MN1 的速率不是出格快，并且它们不必如斯。固然 MN1 在反向电池附联时代发生高功耗，可是关断电路只要“在最初”断开 MN1 毗连。

它必需在 MN1 升温幅度大到致使受损之前断开 MN1 毗连。几十微秒的断开毗连时候能够比拟合适。

另外一方面，在反接电池无机遇将充电器和负载电压拉至负值之前停用 MN1 相当主要，是以须要接纳 C1。根基上，该电路具备一条 AC 和一条 DC 停用途径。

用一个铅酸电池和 LTC4015 电池充电器对此电路停止了测试。如图5所示，当反向电池热插拔时电池充电器处于 OFF 状况。反向电压不会被传递至充电器和负载。

值得注重的是，MN1 须要一个即是电池电压的 VDS 额外值和一个即是 1/2 电池电压的 VGS 额外值。MP1 须要一个即是电池电压的 VDS 和 VGS 额外值。

图6显现了一种加倍严峻的环境，便是在反向电池停止热插拔时电池充电器已处于一般运转状况。电池反接将下拉充电器侧电压，直到检测和掩护电路使其离开运转状况，从而让充电器宁静前往至其恒定电压电平。

静态特征将因利用而异，而电池充电器上的电容将对终究成果起到很大的感化。在该测试中，电池充电器兼具一个高 Q 值陶瓷电容器和一个 Q 值较低的聚合物电容器。

总之，倡议在电池充电器上接纳铝聚合物电容器和铝电解电容器，以改良一般的正向电池热插拔时代的机能。因为极端的非线性，纯陶瓷电容器会在热插拔时代发生太高的过冲，面前的缘由是：当电压从 0V 升至额外电压时，其电容的降幅可达惊人的 80%。

这类非线性在低电压前提下激起高电流的活动，而当电压回升时则使电容疾速递加;这是一种致使很是高电压过冲的致命组合。凭经历，一个陶瓷电容器与一个较低 Q 值、电压不变的铝电容器乃至钽电容器的组合仿佛是最稳健的组合情势。

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