基于電池充電器應(yīng)用的反向電壓保護(hù)電路

大家好，小科來(lái)為大家解答以上問(wèn)題?；陔姵爻潆娖鲬?yīng)用的反向電壓保護(hù)電路這個(gè)很多人還不知道，現(xiàn)在讓我們一起來(lái)看看吧！

1、有幾種眾所周知的方法來(lái)處理電源電壓反轉(zhuǎn)。

2、最明顯的方法是在電源和負(fù)載之間連接一個(gè)二極管，但這種方法會(huì)因二極管直流電壓而產(chǎn)生額外的功耗。

3、雖然這種方法很簡(jiǎn)單，但二極管在便攜式或備用應(yīng)用中是無(wú)效的，因?yàn)殡姵乇仨氃诔潆姇r(shí)吸收電流，在不充電時(shí)提供電流。

4、另一種方法是使用圖1所示的MOSFET電路。

5、圖1:傳統(tǒng)負(fù)載側(cè)反向保護(hù)

6、對(duì)于負(fù)載側(cè)電路，這種方法比使用二極管更好，因?yàn)殡娫?電池)電壓會(huì)增強(qiáng)MOSFET，從而降低壓降并大幅提高電導(dǎo)。

7、電路的NMOS版本優(yōu)于PMOS版本，因?yàn)榉至MOS晶體管具有更高的導(dǎo)電性、更低的成本和更好的可用性。

8、在這兩種電路中，當(dāng)電池電壓為正時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，當(dāng)電池電壓為負(fù)時(shí)，MOSFET關(guān)斷。

9、MOSFET的物理“漏極”成為電源，因?yàn)樗赑MOS版本中具有較高的電勢(shì)，而在NMOS版本中具有較低的電勢(shì)。

10、因?yàn)镸OSFET在三極管區(qū)是電對(duì)稱(chēng)的，它們可以很好地在兩個(gè)方向傳導(dǎo)電流。

11、采用這種方法，晶體管的最大VGS和VDS額定值必須高于電池電壓。

12、可惜這種方法只對(duì)負(fù)載側(cè)的電路有效，對(duì)能給電池充電的電路不起作用。

13、電池充電器將發(fā)電，重新啟用MOSFET，并重新建立與反向電池的連接。

14、圖2示出了采用NMOS版本的示例，其中電池處于故障狀態(tài)。

15、圖2:帶電池充電器的負(fù)載側(cè)保護(hù)電路

16、連接電池時(shí)，電池充電器空閑，負(fù)載和電池充電器與反向電池安全解耦。

17、然而，如果充電器改變到運(yùn)行狀態(tài)(例如，連接輸入電源連接器)，充電器在NMOS的柵極和源極之間產(chǎn)生電壓，該電壓增強(qiáng)了NMOS，從而實(shí)現(xiàn)電流傳導(dǎo)。

18、這在圖3中更加生動(dòng)。

19、圖3:傳統(tǒng)的反向電池保護(hù)方案對(duì)電池充電器電路無(wú)效。

20、和負(fù)載充電器與反向電壓隔離，但是具有保護(hù)功能的MOSFET現(xiàn)在面臨高功耗的大問(wèn)題。

21、在這種情況下，電池充電器變成了電池放電器。

22、當(dāng)電池充電器為MOSFET提供足夠的柵極支持來(lái)吸收充電器輸送的電流時(shí)，電路將達(dá)到平衡。

23、例如，如果一個(gè)大功率MOSFET的VTH約為2V，而充電器可以在2V電壓下提供電流，則電池充電器的輸出電壓將穩(wěn)定在2V(MOSFET的漏極處于2V電池電壓)。

24、MOSFET的功耗為icharge (Vth VBAT)，這使得MOSFET發(fā)熱，直到產(chǎn)生的熱量從印刷電路板散發(fā)出去。

25、電路的PMOS版本是相同的。

26、下面將介紹這種方法的兩種替代方案，每種方案都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

27、n溝道MOSFET的設(shè)計(jì)

28、第一種方案使用NMOS隔離器件，如圖4所示。

29、該電路的算法是，如果電池電壓超過(guò)電池充電器的輸出電壓，隔離MOSFET必須禁用。

30、與上述NMOS方法一樣，在該電路中，MN1連接到充電器/負(fù)載和電池端子之間的線(xiàn)路的低電壓側(cè)。

31、然而，晶體管MP1和Q1現(xiàn)在提供了檢測(cè)電路，在電池反向連接的情況下，該檢測(cè)電路將禁用MN1。

32、反向電池將MP1的源極提升到高于其連接到充電器正極端子的柵極。

33、然后，MP1的漏極通過(guò)R1將電流輸送到Q1的基極。

34、然后，Q1將MN1的柵極分流到地，防止充電電流流入MN1。

35、R3 賦予了 Q1 將 MN1 的柵極拉至地電位的權(quán)限。

36、R3/R4 分壓器限制 MN1 柵極上的電壓，這樣?xùn)艠O電壓在反向電池?zé)岵灏纹陂g不必下降那么多。

37、最壞情況是電池充電器已經(jīng)處于運(yùn)行狀態(tài)、產(chǎn)生其恒定電壓電平，附聯(lián)了一個(gè)反接電池時(shí)。

38、在這種情況下，必需盡可能快地關(guān)斷 MN1，以限制消耗高功率的時(shí)間。

39、該電路帶有 R3 和 R4 的這一特殊版本最適合 12V 鉛酸電池應(yīng)用，但是在單節(jié)和兩節(jié)鋰離子電池產(chǎn)品等較低電壓應(yīng)用中，可以免除 R4。

40、電容器 C1 提供了一個(gè)超快速充電泵，以在反向電池附聯(lián)期間下拉 MN1 的柵極電平。

41、對(duì)于最差情形 (附聯(lián)一個(gè)反向電池時(shí)充電器已使能的狀況再次出現(xiàn))，C1 非常有用。

該電路的缺點(diǎn)是需要額外的組件，R3/R4 分壓器在電池上產(chǎn)生了一個(gè)雖然很小、但卻是持續(xù)的負(fù)載。

此類(lèi)組件大多是纖巧的。

44、MP1 和 Q1 不是功率器件，而且通常可采用 SOT23-3、SC70-3 或更小的封裝。

45、MN1 應(yīng)具有非常優(yōu)良的導(dǎo)電性，因?yàn)樗莻鬏斊骷?，但是尺寸不必很大?/p>

46、由于它在深三極管區(qū)工作，并且得到了大幅的柵極強(qiáng)化，因此其功耗即使對(duì)于導(dǎo)電性中等的器件來(lái)說(shuō)也很低。

47、例如，100m? 以下的晶體管也經(jīng)常采用 SOT23-3 封裝。

圖 4：一款可行的反向電池電路

不過(guò)，采用一個(gè)小傳輸晶體管的缺點(diǎn)是：與電池充電器串聯(lián)的額外阻抗延長(zhǎng)了恒定電壓充電階段的充電時(shí)間。

51、例如，如果電池及其配線(xiàn)具有 100m? 的等效串聯(lián)電阻，并且采用了一個(gè) 100m? 的隔離晶體管，那么恒定電壓充電階段中的充電時(shí)間將加倍。

MP1 和 Q1 組成的檢測(cè)和停用電路停用MN1 的速度不是特別快，而且它們無(wú)須如此。

53、雖然 MN1 在反向電池附聯(lián)期間產(chǎn)生高功耗，但是關(guān)斷電路只需“在最后”斷開(kāi) MN1 連接。

54、它必需在 MN1 升溫幅度大到導(dǎo)致受損之前斷開(kāi) MN1 連接。

55、幾十微秒的斷開(kāi)連接時(shí)間可能比較適合。

56、另一方面，在反接電池有機(jī)會(huì)將充電器和負(fù)載電壓拉至負(fù)值之前停用 MN1 至關(guān)重要，因而需要采用 C1。

57、基本上，該電路具有一條 AC 和一條 DC 停用路徑。

用一個(gè)鉛酸電池和 LTC4015 電池充電器對(duì)此電路進(jìn)行了測(cè)試。

59、如圖 5 所示，當(dāng)反向電池?zé)岵灏螘r(shí)電池充電器處于 OFF 狀態(tài)。

60、反向電壓不會(huì)被傳送至充電器和負(fù)載。

圖 5：充電器處于關(guān)斷狀態(tài)的 NMOS 保護(hù)電路

值得注意的是，MN1 需要一個(gè)等于電池電壓的 VDS額定值和一個(gè)等于 1/2 電池電壓的 VGS額定值。

64、MP1 需要一個(gè)等于電池電壓的 VDS和 VGS額定值。

圖 6 顯示了一種更加嚴(yán)重的情況，就是在反向電池進(jìn)行熱插拔時(shí)電池充電器已處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

66、電池反接將下拉充電器側(cè)電壓，直到檢測(cè)和保護(hù)電路使其脫離運(yùn)行狀態(tài)，從而讓充電器安全返回至其恒定電壓電平。

67、動(dòng)態(tài)特性將因應(yīng)用而異，而電池充電器上的電容將對(duì)最終結(jié)果起到很大的作用。

68、在該測(cè)試中，電池充電器兼具一個(gè)高 Q 值陶瓷電容器和一個(gè) Q 值較低的聚合物電容器。

圖 6：充電器處于運(yùn)行狀態(tài)的 NMOS 保護(hù)電路

總之，建議在電池充電器上采用鋁聚合物電容器和鋁電解電容器，以改善正常的正向電池?zé)岵灏纹陂g的性能。

72、由于極度的非線(xiàn)性，純陶瓷電容器會(huì)在熱插拔期間產(chǎn)生過(guò)高的過(guò)沖，背后的原因是：當(dāng)電壓從 0V 升至額定電壓時(shí)，其電容的降幅可達(dá)驚人的 80%。

73、這種非線(xiàn)性在低電壓條件下激發(fā)高電流的流動(dòng)，而當(dāng)電壓上升時(shí)則使電容快速遞減;這是一種導(dǎo)致非常高電壓過(guò)沖的致命組合。

74、憑經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)陶瓷電容器與一個(gè)較低 Q 值、電壓穩(wěn)定的鋁電容器甚至鉭電容器的組合似乎是最穩(wěn)健的組合形式。

P 溝道 MOSFET 設(shè)計(jì)

圖 7 示出了第二種方法，即采用一個(gè) PMOS 晶體管作為保護(hù)器件。

圖 7：PMOS 晶體管傳輸元件版本

在此電路中，MP1 是反向電池檢測(cè)器件，MP2 是反向隔離器件。

80、利用 MP1 的源極至柵極電壓來(lái)比較電池的正端子與電池充電器輸出。

81、如果電池充電器端子電壓高于電池電壓，則 MP1 將停用主傳輸器件 MP2。

82、因此，如果電池電壓被驅(qū)動(dòng)至低于地電位，則顯然，檢測(cè)器件 MP1 將把傳輸器件 MP2 驅(qū)動(dòng)至關(guān)斷狀態(tài) (將其柵極干擾至其源極)。

83、不管電池充電器是使能并形成充電電壓還是停用 (0V)，它都將完成上述操作。

該電路的最大優(yōu)勢(shì)是 PMOS 隔離晶體管 MP2 根本不具備將負(fù)電壓傳送至充電器電路和負(fù)載的權(quán)限。

85、圖 8 對(duì)此做了更加清晰的圖解。

圖 8：共源共柵效應(yīng)的圖解

通過(guò) R1 在 MP2 的柵極上可實(shí)現(xiàn)的最低電壓為 0V。

89、即使 MP2 的漏極被拉至遠(yuǎn)低于地電位，其源極也不會(huì)施加顯著的電壓下行壓力。

90、一旦源極電壓降至晶體管高于地電位的 VTH，晶體管將解除自身偏置，而且它的傳導(dǎo)性逐漸消失。

91、源極電壓越接近地電位，晶體管的偏置解除程度越高。

92、這種特性加上簡(jiǎn)單的拓?fù)?，使得這種方法比前文介紹的 NMOS 方法更受青睞。

93、與 NMOS 方法相比，它確實(shí)存在著 PMOS 晶體管導(dǎo)電性較低且成本較高的不足。

盡管比 NMOS 方法簡(jiǎn)單，但是該電路還有一個(gè)很大的缺點(diǎn)。

95、雖然它始終提供針對(duì)反向電壓的保護(hù)作用，但是它可能不會(huì)總是將電路連接到電池。

96、當(dāng)柵極如圖所示交叉耦合時(shí)，該電路形成了一個(gè)閉鎖存儲(chǔ)元件，此元件有可能選擇錯(cuò)誤的狀態(tài)。

97、雖然難以實(shí)現(xiàn)，但存在這樣一種情況：充電器正在產(chǎn)生電壓 (比如 12V)，在一個(gè)較低的電壓 (比如 8V) 附聯(lián)電池，電路斷開(kāi)連接。

在這種情況下，MP1 的源極至柵極電壓為 +4V，因而強(qiáng)化 MP1 并停用 MP2。

99、這種情況如圖 9 所示，并在節(jié)點(diǎn)上列出了穩(wěn)定的電壓。

圖 9：采用 PMOS 保護(hù)電路時(shí)可能的阻塞狀態(tài)圖解

為了實(shí)現(xiàn)該條件，電池接入時(shí)充電器必須已經(jīng)處于運(yùn)行狀態(tài)。

103、如果電池在充電器使能之前接入，則 MP1 的柵極電壓完全由電池上拉，因而停用 MP1。

104、當(dāng)充電器接通時(shí)，它產(chǎn)生一個(gè)受控的電流 (而不是高電流沖擊)，這降低了 MP1 接通、MP2 關(guān)斷的可能性。

另一方面，如果充電器在電池附聯(lián)之前啟用，則 MP1 的柵極只需簡(jiǎn)單地跟隨電池充電器輸出，因?yàn)樗怯尚狗?u>電阻器 R2 上拉的。

106、未接入電池時(shí)，MP1 根本沒(méi)有接通和使 MP2 脫離運(yùn)行狀態(tài)的傾向。

當(dāng)充電器已經(jīng)啟動(dòng)并運(yùn)行、而電池附聯(lián)在后時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

108、在這種情況下，在充電器輸出和電池端子之間存在瞬間差異，這將促使 MP1 使 MP2 脫離運(yùn)行狀態(tài)，因?yàn)殡姵仉妷簭?qiáng)制充電器電容進(jìn)行吸收。

109、這使 MP2 從充電器電容器吸取電荷的能力與 MP1 使 MP2 脫離運(yùn)行狀態(tài)的能力之間形成了競(jìng)爭(zhēng)。

該電路也用一個(gè)鉛酸電池和 LTC4015 電池充電器進(jìn)行了測(cè)試。

111、將一個(gè)承受重負(fù)載的 6V 電源作為電池模擬器連接至一個(gè)已經(jīng)使能的電池充電器絕對(duì)不會(huì)觸發(fā)“斷開(kāi)連接”狀態(tài)。

112、所做的測(cè)試并不全面，應(yīng)在關(guān)鍵應(yīng)用中更加全面徹底地進(jìn)行測(cè)試。

113、即使電路確已鎖定，停用電池充電器并重新啟用它仍將始終導(dǎo)致重新連接。

故障狀態(tài)可通過(guò)人為操控電路 (在 R1 的頂端和電池充電器輸出之間建立臨時(shí)連接) 進(jìn)行演示。

115、然而，普遍認(rèn)為該電路更傾向于連接。

116、如果連接失敗確實(shí)成為一個(gè)問(wèn)題，那么可以設(shè)計(jì)一款利用多個(gè)器件停用電池充電器的電路。

117、圖 12 給出了一個(gè)更加完整的電路例子。

圖 10 示出了充電器被停用的 PMOS 保護(hù)電路的效果。

請(qǐng)注意，不論什么情況，電池充電器和負(fù)載電壓都不會(huì)出現(xiàn)負(fù)電壓傳送。

圖 11 示出了該電路處于“當(dāng)反接電池進(jìn)行熱插拔時(shí)充電器已進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)”這種不利情況下。

與 NMOS 電路的效果相差無(wú)幾，在斷開(kāi)電路連接使傳輸晶體管 MP2 脫離運(yùn)行狀態(tài)之前，反向電池略微下拉充電器和負(fù)載電壓。

在電路的這個(gè)版本中，晶體管 MP2 必須能夠經(jīng)受兩倍于電池電壓的 VDS (一個(gè)用于充電器，一個(gè)用于反接電池) 和等于電池電壓的 VGS。

123、另一方面，MP1 必須能夠經(jīng)受等于電池電壓的 VDS和兩倍于電池電壓的 VGS。

124、這項(xiàng)要求令人遺憾，因?yàn)閷?duì)于 MOSFET 晶體管來(lái)說(shuō)，額定 VDS始終超過(guò)額定 VGS。

125、可以找到具有 30V VGS容限和 40V VDS容限的晶體管，適合鉛酸電池應(yīng)用。

126、為了支持電壓較高的電池，必須增添齊納二極管和限流電阻器來(lái)修改電路。

圖 12 示出了一個(gè)能夠處理兩個(gè)串聯(lián)堆疊鉛酸電池的電路實(shí)例。

圖 10：充電器處于關(guān)斷狀態(tài)的 PMOS 保護(hù)電路

圖 11：充電器處于運(yùn)行狀態(tài)的 PMOS 保護(hù)電路

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圖 12：較高電壓反向電池保護(hù)。

D1、D3 和 R3 保護(hù) MP2 和 MP3 的柵極免受高電壓的損壞。

139、當(dāng)一個(gè)反接電池進(jìn)行熱插拔時(shí)，D2 可防止 MP3 的柵極以及電池充電器輸出快速移動(dòng)至地電位以下。

140、當(dāng)電路具有反接電池或處于錯(cuò)誤斷開(kāi)連接閉鎖狀態(tài)時(shí)，MP1 和 R1 可檢測(cè)出來(lái)，并利用缺失的 LTC4015 的 RT 特性來(lái)停用電池充電器。

結(jié)論

可以開(kāi)發(fā)一種面向基于電池充電器應(yīng)用的反向電壓保護(hù)電路。

143、人們開(kāi)發(fā)了一些電路并進(jìn)行了簡(jiǎn)略的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果令人鼓舞。

144、對(duì)于反向電池問(wèn)題并不存在什么高招，不過(guò)，希望本文介紹的方法能夠提供充分的啟示，即存在一種簡(jiǎn)單、低成本的解決方案。

原文標(biāo)題：為您的電池充電器做一個(gè)反向電壓保護(hù)吧~

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