電源極性反轉保護方案

2016-08-16 10:43:14創新者李盤文高志遠

中國科技信息 2016年9期

創新者：王亮李盤文高志遠

電源極性反轉保護方案

創新者：王亮李盤文高志遠

汽車和工業應用中絕大多數系統的電源輸入部分需要對極性的反轉做出快速響應，以保護系統正常工作，一般采用肖特基二極管實現。針對當前這種方案的缺陷，根據MOSFET的特點，設計NFET和智能二極管保護電路，對其原理進行分析和實驗，解決熱量高，功率損耗大等問題，更好地完成電源極性反轉保護功能。

汽車和工業應用中絕大多數系統的后端電路對過大的反向電壓和反向電流極其敏感，特別是在設備啟動和停止時，若是電源輸入部分不能對這種極性反轉做出快速響應，就有可能損害設備，危及安全。典型的電源輸入部分如圖1所示。

采用肖特基二極管D3來對抗極性反轉，但是肖特基二極管的前向壓降大約在0.4V左右，若通過電流為10A，在二極管上將產生4W的損耗，同時會產生大量的熱量，散熱不好的話溫度可達到或超過二極管極限工作值，影響系統使用和安全。

針對以上電路的缺陷，本文提出一種采用NFET和智能二極管的極性反轉保護解決辦法，即達到快速響應的目的，同時解決發熱、效率低問題，降低空間占用，滿足小尺寸要求。

MOSFET反轉保護原理

MOSFET簡介

MOSFET（金屬－氧化物半導體場效應晶體管）即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應來控制半導體（S）的場效應晶體管。

圖2是MOSFET的基本結構圖。生產時會將源極S和基極B在內部連接起來使用。為了改善某些參數的特性，如提高工作電流、提高工作電壓、降低導通電阻、提高開關特性等有不同的結構及工藝，構成所謂VMOS、DMOS、TMOS等結構。雖然結構不同，但其工作原理是相同的。

只要門極和源極電壓VGS達到開啟閾值VTH，源極S和漏極D就呈現導通狀態，具有極低的導通電阻RDS（ON），可以做到mΩ級別。功率型MOSFET由于工藝的原因，會在漏極和源極之間產生寄生二極管，也叫作本征二極管，合理利用這個本征二極管，可以達到極性反轉保護的目的。N溝道增強型電路符號如下。

反轉保護原理

圖4為采用NFET管子的極性反轉保護電路。

D1、D2兩只TVS管做瞬態保護，R1、R2兩只電阻做分壓電路，使G極電壓滿足開啟電壓VTH要求，D3穩壓管保證VGS電壓不超過額定值。

當電源極性如圖上所示時，假設NFET管無電流通過，此時VGS=0V，小于VTH，管子截止，但是由于本征二極管的存在，VSD=V1，二極管導通并產生0.4V左右的前向壓降，此時，R1、R2和D3工作，使VGS＞VTH，NFET開啟，由于NFET管的RDS（ON）特別小，1mΩ一下，本征二極管兩端的電壓達不到它的導通電壓，所以本征二極管截止，若電流為10A，那么此時NFET管產生的壓降小于10mV，功耗小于0.1W，產生的熱量也遠遠小于肖特基二極管。