引言

處理電源電壓反轉有幾種(zhǒng)衆所周知的方法。最明顯的方法是在電源和負載之間連接一個二極管，但是由于二極管正向(xiàng)電壓的原因，這(zhè)種(zhǒng)做法會(huì)産生額外的功耗。雖然該方法很簡潔，但是二極管在便攜式或備份應用中是不起(qǐ)作用的，因爲電池在充電時(shí)必須吸收電流，而在不充電時(shí)則須供應電流。

另一種(zhǒng)方法是使用圖 1 所示的 MOSFET 電路之一。

圖 1：傳統的負載側反向(xiàng)保護

對(duì)于負載側電路而言，這(zhè)種(zhǒng)方法比使用二極管更好(hǎo)，因爲電源 (電池) 電壓增強了 MOSFET，因而産生了更少的壓降和實質上更高的電導。該電路的 NMOS 版本比 PMOS 版本更好(hǎo)，因爲分立式 NMOS 晶體管導電率更高、成(chéng)本更低且可用性更好(hǎo)。在這(zhè)兩(liǎng)種(zhǒng)電路中，MOSFET 都(dōu)是在電池電壓爲正時(shí)導通，電池電壓反轉時(shí)則斷開(kāi)連接。MOSFET 的物理“漏極”變成(chéng)了電源，因爲它在 PMOS 版本中是較高的電位，而在 NMOS 版本中則是較低的電位。由于 MOSFET 在三極管區域中是電對(duì)稱的，因此它們在兩(liǎng)個方向(xiàng)上都(dōu)能(néng)很好(hǎo)地傳導電流。采用此方法時(shí)，晶體管必須具有高于電池電壓的最大 VGS 和 VDS 額定值。

遺憾的是，這(zhè)種(zhǒng)方法僅對(duì)負載側電路有效，無法配合能(néng)夠給電池充電的電路工作。電池充電器將(jiāng)産生電源，重新啓用 MOSFET 并重新建立至反向(xiàng)電池的連接。圖 2 展示了采用 NMOS 版本的一個實例，圖中所示的電池處于故障狀态。

圖 2：具有一個電池充電器的負載側保護電路

當電池接入時(shí)，電池充電器處于閑置狀态，負載和電池充電器與反向(xiàng)電池安全去耦。然而，如果充電器變至運行狀态 (例如：附聯了輸入電源連接器)，則充電器在 NMOS 的栅極和源極之間産生一個電壓，這(zhè)增強了 NMOS，從而實現電流傳導。這(zhè)一點在圖 3 中更形象。

圖 3：傳統的反向(xiàng)電池保護方案對(duì)電池充電器電路無效

負載和充電器雖與反向(xiàng)電壓隔離，但是起(qǐ)保護作用的 MOSFET 現在面(miàn)臨的一大問題是功耗過(guò)高。在這(zhè)種(zhǒng)情況下，電池充電器變成(chéng)了一個電池放電器。當電池充電器爲 MOSFET 提供了足夠的栅極支持以吸收由充電器輸送的電流時(shí)，該電路將(jiāng)達到平衡。例如，如果一個強大 MOSFET 的 VTH 約爲 2V，而且充電器能(néng)夠在 2V 電壓下提供電流，則電池充電器輸出電壓將(jiāng)穩定在 2V (MOSFET 的漏極處在 2V + 電池電壓)。MOSFET 中的功耗爲 ICHARGE • (VTH + VBAT)，因而使 MOSFET 升溫發(fā)熱，直到産生的熱量散逸離開(kāi)印刷電路闆。該電路的 PMOS 版本也是一樣(yàng)。

下面(miàn)將(jiāng)介紹該方法的兩(liǎng)種(zhǒng)替代方案，這(zhè)些替代方案各有優缺點。

N 溝道(dào) MOSFET 設計
第一種(zhǒng)方案采用一個 NMOS 隔離器件，如圖 4 所示。

該電路的算法是：如果電池電壓超過(guò)了電池充電器輸出電壓，則必須停用隔離 MOSFET。

如同上述的 NMOS 方法一樣(yàng)，在該電路中，MN1 連接在介于充電器/負載和電池端子之間接線的低壓側。然而，晶體管 MP1 和 Q1 現在提供了一個檢測電路，該電路在電池反接的情況下將(jiāng)停用 MN1。反接電池將(jiāng) MP1 的源極升舉至高于其連接至充電器正端子的栅極。接著(zhe)，MP1 的漏極通過(guò) R1 將(jiāng)電流輸送至 Q1 的基極。然後(hòu)，Q1 將(jiāng) MN1 的栅極分流至地，防止充電電流在 MN1 中流動。R1 負責控制在反向(xiàng)檢測期間流到 Q1 的基極電流，而 R2 則在正常操作中爲 Q1 的基極提供洩放。R3 賦予了 Q1 將(jiāng) MN1 的栅極拉至地電位的權限。R3/R4 分壓器限制 MN1 栅極上的電壓，這(zhè)樣(yàng)栅極電壓在反向(xiàng)電池熱插拔期間不必下降那麼(me)多。最壞情況是電池充電器已經(jīng)處于運行狀态、産生其恒定電壓電平，附聯了一個反接電池時(shí)。在這(zhè)種(zhǒng)情況下，必需盡可能(néng)快地關斷 MN1，以限制消耗高功率的時(shí)間。該電路帶有 R3 和 R4 的這(zhè)一特殊版本最适合 12V 鉛酸電池應用，但是在單節和兩(liǎng)節锂離子電池産品等較低電壓應用中，可以免除 R4。電容器 C1 提供了一個超快速充電泵，以在反向(xiàng)電池附聯期間下拉 MN1 的栅極電平。對(duì)于最差情形 (附聯一個反向(xiàng)電池時(shí)充電器已使能(néng)的狀況再次出現)，C1 非常有用。

該電路的缺點是需要額外的組件，R3/R4 分壓器在電池上産生了一個雖然很小、但卻是持續的負載。

此類組件大多是纖巧的。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。MN1 應具有非常優良的導電性，因爲它是傳輸器件，但是尺寸不必很大。由于它在深三極管區工作，并且得到了大幅的栅極強化，因此其功耗即使對(duì)于導電性中等的器件來說也很低。例如，100mΩ 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(xiàng)電池電路

不過(guò)，采用一個小傳輸晶體管的缺點是：與電池充電器串聯的額外阻抗延長(cháng)了恒定電壓充電階段的充電時(shí)間。例如，如果電池及其配線具有 100mΩ 的等效串聯電阻，并且采用了一個 100mΩ 的隔離晶體管，那麼(me)恒定電壓充電階段中的充電時(shí)間將(jiāng)加倍。

MP1 和 Q1 組成(chéng)的檢測和停用電路停用MN1 的速度不是特别快，而且它們無須如此。雖然 MN1 在反向(xiàng)電池附聯期間産生高功耗，但是關斷電路隻需“在最後(hòu)”斷開(kāi) MN1 連接。它必需在 MN1 升溫幅度大到導緻受損之前斷開(kāi) MN1 連接。幾十微秒的斷開(kāi)連接時(shí)間可能(néng)比較适合。另一方面(miàn)，在反接電池有機會(huì)將(jiāng)充電器和負載電壓拉至負值之前停用 MN1 至關重要，因而需要采用 C1。基本上，該電路具有一條 AC 和一條 DC 停用路徑。

用一個鉛酸電池和 LTC4015 電池充電器對(duì)此電路進(jìn)行了測試。如圖 5 所示，當反向(xiàng)電池熱插拔時(shí)電池充電器處于 OFF 狀态。反向(xiàng)電壓不會(huì)被(bèi)傳送至充電器和負載。

圖 5：充電器處于關斷狀态的 NMOS 保護電路

值得注意的是，MN1 需要一個等于電池電壓的 VDS 額定值和一個等于 1/2 電池電壓的 VGS 額定值。MP1 需要一個等于電池電壓的 VDS 和 VGS 額定值。

圖 6 顯示了一種(zhǒng)更加嚴重的情況，就(jiù)是在反向(xiàng)電池進(jìn)行熱插拔時(shí)電池充電器已處于正常運行狀态。電池反接將(jiāng)下拉充電器側電壓，直到檢測和保護電路使其脫離運行狀态，從而讓充電器安全返回至其恒定電壓電平。動态特性將(jiāng)因應用而異，而電池充電器上的電容將(jiāng)對(duì)最終結果起(qǐ)到很大的作用。在該測試中，電池充電器兼具一個高 Q 值陶瓷電容器和一個 Q 值較低的聚合物電容器。

圖 6：充電器處于運行狀态的 NMOS 保護電路

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(xiàng)電池熱插拔期間的性能(néng)。由于極度的非線性，純陶瓷電容器會(huì)在熱插拔期間産生過(guò)高的過(guò)沖，背後(hòu)的原因是：當電壓從 0V 升至額定電壓時(shí)，其電容的降幅可達驚人的 80%。這(zhè)種(zhǒng)非線性在低電壓條件下激發(fā)高電流的流動，而當電壓上升時(shí)則使電容快速遞減；這(zhè)是一種(zhǒng)導緻非常高電壓過(guò)沖的緻命組合。憑經(jīng)驗，一個陶瓷電容器與一個較低 Q 值、電壓穩定的鋁電容器甚至钽電容器的組合似乎是最穩健的組合形式。

P 溝道(dào) MOSFET 設計
圖 7 示出了第二種(zhǒng)方法，即采用一個 PMOS 晶體管作爲保護器件。

圖 7：PMOS 晶體管傳輸元件版本

在此電路中，MP1 是反向(xiàng)電池檢測器件，MP2 是反向(xiàng)隔離器件。利用 MP1 的源極至栅極電壓來比較電池的正端子與電池充電器輸出。如果電池充電器端子電壓高于電池電壓，則 MP1 將(jiāng)停用主傳輸器件 MP2。因此，如果電池電壓被(bèi)驅動至低于地電位，則顯然，檢測器件 MP1 將(jiāng)把傳輸器件 MP2 驅動至關斷狀态 (將(jiāng)其栅極幹擾至其源極)。不管電池充電器是使能(néng)并形成(chéng)充電電壓還(hái)是停用 (0V)，它都(dōu)將(jiāng)完成(chéng)上述操作。

該電路的最大優勢是 PMOS 隔離晶體管 MP2 根本不具備將(jiāng)負電壓傳送至充電器電路和負載的權限。圖 8 對(duì)此做了更加清晰的圖解。

圖 8：共源共栅效應的圖解

通過(guò) R1 在 MP2 的栅極上可實現的最低電壓爲 0V。即使 MP2 的漏極被(bèi)拉至遠低于地電位，其源極也不會(huì)施加顯著的電壓下行壓力。一旦源極電壓降至晶體管高于地電位的 VTH，晶體管將(jiāng)解除自身偏置，而且它的傳導性逐漸消失。源極電壓越接近地電位，晶體管的偏置解除程度越高。這(zhè)種(zhǒng)特性加上簡單的拓撲，使得這(zhè)種(zhǒng)方法比前文介紹的 NMOS 方法更受青睐。與 NMOS 方法相比，它确實存在著(zhe) PMOS 晶體管導電性較低且成(chéng)本較高的不足。

盡管比 NMOS 方法簡單，但是該電路還(hái)有一個很大的缺點。雖然它始終提供針對(duì)反向(xiàng)電壓的保護作用，但是它可能(néng)不會(huì)總是將(jiāng)電路連接到電池。當栅極如圖所示交叉耦合時(shí)，該電路形成(chéng)了一個閉鎖存儲元件，此元件有可能(néng)選擇錯誤的狀态。雖然難以實現，但存在這(zhè)樣(yàng)一種(zhǒng)情況：充電器正在産生電壓 (比如 12V)，在一個較低的電壓 (比如 8V) 附聯電池，電路斷開(kāi)連接。

在這(zhè)種(zhǒng)情況下，MP1 的源極至栅極電壓爲 +4V，因而強化 MP1 并停用 MP2。這(zhè)種(zhǒng)情況如圖 9 所示，并在節點上列出了穩定的電壓。
 

圖 9：采用 PMOS 保護電路時(shí)可能(néng)的阻塞狀态圖解

爲了實現該條件，電池接入時(shí)充電器必須已經(jīng)處于運行狀态。如果電池在充電器使能(néng)之前接入，則 MP1 的栅極電壓完全由電池上拉，因而停用 MP1。當充電器接通時(shí)，它産生一個受控的電流 (而不是高電流沖擊)，這(zhè)降低了 MP1 接通、MP2 關斷的可能(néng)性。

另一方面(miàn)，如果充電器在電池附聯之前啓用，則 MP1 的栅極隻需簡單地跟随電池充電器輸出，因爲它是由洩放電阻器 R2 上拉的。未接入電池時(shí)，MP1 根本沒(méi)有接通和使 MP2 脫離運行狀态的傾向(xiàng)。

當充電器已經(jīng)啓動并運行、而電池附聯在後(hòu)時(shí)，就(jiù)會(huì)出現問題。在這(zhè)種(zhǒng)情況下，在充電器輸出和電池端子之間存在瞬間差異，這(zhè)將(jiāng)促使 MP1 使 MP2 脫離運行狀态，因爲電池電壓強制充電器電容進(jìn)行吸收。這(zhè)使 MP2 從充電器電容器吸取電荷的能(néng)力與 MP1 使 MP2 脫離運行狀态的能(néng)力之間形成(chéng)了競争。

該電路也用一個鉛酸電池和 LTC4015 電池充電器進(jìn)行了測試。將(jiāng)一個承受重負載的 6V 電源作爲電池模拟器連接至一個已經(jīng)使能(néng)的電池充電器絕對(duì)不會(huì)觸發(fā)“斷開(kāi)連接”狀态。所做的測試并不全面(miàn)，應在關鍵應用中更加全面(miàn)徹底地進(jìn)行測試。即使電路确已鎖定，停用電池充電器并重新啓用它仍將(jiāng)始終導緻重新連接。

故障狀态可通過(guò)人爲操控電路 (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。然而，普遍認爲該電路更傾向(xiàng)于連接。如果連接失敗确實成(chéng)爲一個問題，那麼(me)可以設計一款利用多個器件停用電池充電器的電路。圖 12 給出了一個更加完整的電路例子。

圖 10 示出了充電器被(bèi)停用的 PMOS 保護電路的效果。

請注意，不論什麼(me)情況，電池充電器和負載電壓都(dōu)不會(huì)出現負電壓傳送。

圖 11 示出了該電路處于“當反接電池進(jìn)行熱插拔時(shí)充電器已進(jìn)入運行狀态”這(zhè)種(zhǒng)不利情況下。

與 NMOS 電路的效果相差無幾，在斷開(kāi)電路連接使傳輸晶體管 MP2 脫離運行狀态之前，反向(xiàng)電池略微下拉充電器和負載電壓。

在電路的這(zhè)個版本中，晶體管 MP2 必須能(néng)夠經(jīng)受兩(liǎng)倍于電池電壓的 VDS (一個用于充電器，一個用于反接電池) 和等于電池電壓的 VGS。另一方面(miàn)，MP1 必須能(néng)夠經(jīng)受等于電池電壓的 VDS和兩(liǎng)倍于電池電壓的 VGS。這(zhè)項要求令人遺憾，因爲對(duì)于 MOSFET 晶體管來說，額定 VDS始終超過(guò)額定 VGS。可以找到具有 30V VGS 容限和 40V VDS 容限的晶體管，适合鉛酸電池應用。爲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修改電路。

圖 12 示出了一個能(néng)夠處理兩(liǎng)個串聯堆疊鉛酸電池的電路實例。

圖 10：充電器處于關斷狀态的 PMOS 保護電路

圖 11：充電器處于運行狀态的 PMOS 保護電路

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圖 12：較高電壓反向(xiàng)電池保護。

D1、D3 和 R3 保護 MP2 和 MP3 的栅極免受高電壓的損壞。當一個反接電池進(jìn)行熱插拔時(shí)，D2 可防止 MP3 的栅極以及電池充電器輸出快速移動至地電位以下。當電路具有反接電池或處于錯誤斷開(kāi)連接閉鎖狀态時(shí)，MP1 和 R1 可檢測出來，并利用缺失的 LTC4015 的 RT 特性來停用電池充電器。

結論

可以開(kāi)發(fā)一種(zhǒng)面(miàn)向(xiàng)基于電池充電器應用的反向(xiàng)電壓保護電路。人們開(kāi)發(fā)了一些電路并進(jìn)行了簡略的測試，測試結果令人鼓舞。對(duì)于反向(xiàng)電池問題并不存在什麼(me)高招，不過(guò)，希望本文介紹的方法能(néng)夠提供充分的啓示，即存在一種(zhǒng)簡單、低成(chéng)本的解決方案。