一种直流电池 / 电源正反接均可供电的电路方案

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 之前我发过一篇：直流电源防反接电路设计，可使用二极管、桥式整流管和 MOS 管设计防反接的电路。本篇博文转载于：EDN 电子技术设计，基于 MOS 管，提出一种可支持直流电池/电源无论正反接均可正常供电的电路方案。

EDN 早前发布的设计实例“Circuit provides reverse-battery protection”当中概述了一种极性保护电路，它可以将电池正确连接到负载，而不论电池在其底座中的方向如何。这个电路采用 Maxim 公司提供的快速开关、低压、双 SPDT CMOS 模拟开关 IC MAX4636 设计，可以工作，但存在一些缺点。它的电源电压范围有一定的局限（1.8~5.5V），并且内部电阻略高，因此只能用于电流负荷不超过 30mA 的产品。幸运的是，由于 MOSFET 技术的一些重大进步，现在可以克服这些局限。

图 1 说明了使用 P 沟道 MOSFET 晶体管对负载进行反极性电池保护的方法。通常，要使 P 沟道 MOSFET 导通，需要向其栅源控制结施加适当的电压（栅极端为负电位，源极端为正电位）。图 1 所示的 P 沟道 MOSFET 的连接稍有不同，其工作方式如下。

​图 1 使用 P 沟道 MOSFET 保护负载免受反向电池的损坏

当将电源加到 A 和 B 端子（A 为正，B 为负）时，晶体管的内部二极管 D1 处于正向偏置，为 Q1 提供栅源控制电压，从而使其导通。MOSFET 的小电阻充当二极管 D1 的旁路，将电流送到负载。

当电池反向时，电压也施加到 A 和 B 端子（但现在是 A 为负，B 为正），晶体管的内部二极管 D1 受到反向偏置，Q1 的栅源电压为 0。因此，Q1 晶体管截止，负载无电流。

换句话说，这个电路中的 P 沟道 MOSFET Q1，其行为类似于二极管（即虚拟的“D2”），其正向阈值电压非常低。也可以以类似方式使用 N 沟道 MOSFET（图 2）。

​图 2 使用 N 沟道 MOSFET 保护负载免受反向电池的损坏

当 A 端为正、B 端为负时，晶体管的内部二极管 D1 获得正向偏置，为 Q1 提供栅漏控制电压，从而使其导通。MOSFET 的小电阻为 D1 二极管分流，从而将电流送到负载。

当向 A 和 B 端子反向供电（A 为负，B 为正）时，晶体管的内部二极管 D1 受到反向偏置，其栅源电压等于 0。MOSFET Q1 截止，负载没有电流。

图 1 和图 2 所示的电路可用于保护负载免受电池反接的影响，而非使用普通的二极管反极性保护，但如果电池反向安装，则无法为负载供电。

​图 3 这个电路可在任何电池安装情况下为负载供电

当按图 3 所示安装电池时，正电位通过 P 沟道晶体管 Q2 的正向偏置内部二极管 D2 施加到其源极。这样会使 Q2 的栅极处于电池负极的电位，从而使其导通。电池的负极通过 N 沟道晶体管 Q3 的正向偏置内部二极管 D3 连接到其源极。在这种情况下，Q3 由于栅极处于电池正极的电位，因此将会导通。总的来说，当电池处于此方向时，Q2 和 Q3 处于放大状态，将电池的电压传送到负载；Q1 和 Q4 则保持断开。

在下一种情况下，电池的安装方向相反。这时，正电势通过 P 沟道晶体管 Q4 的正向偏置内部二极管 D4 施加到其源极。由于 Q4 的栅极处于电池负极的电位，因此它会导通。Q1 的内部二极管 D1 受到正向偏置，从而可以将来自电池负极的电势施加到 N 沟道晶体管 Q1 的源极。由于 Q1 的栅极处于电池正极的电位，因此 Q1 导通。由于 Q1 和 Q4 双双导通，因此电池被连接到负载，而 Q2 和 Q3 则处于关断状态。

请注意，这个设计当中有项安全功能，利用到了 MOSFET 的内部二极管。晶体管 Q1~Q4 中的二极管互相连接，形成了全桥整流器。万一 MOSFET 无法工作，二极管电桥仍然可以对输入进行整流，从而为负载提供正确极性的电力。

附录

图 3 中所示的电路，其适用电压相对较低，不超过 N 沟道和 P 沟道 MOSFET 的最大允许栅源结，通常为±15~20V。对于需要更高电池电压的应用，应对图 3 中的电路进行修改，以保护 MOSFET 的栅源结，如图 4 所示。

​图 4 保护 MOSFET 的栅源结

这个电路中增加了齐纳二极管 D5~D8，用以保护 MOSFET 的栅源结。电阻 R1 和 R2 起到限流作用。在大多数情况下，D5~D8 的 Vzener（反向击穿电压）值应该在 12 至 13V 之间。这足以打开 MOSFET，获得其最小 Rds-on 值。R1 和 R2 的值（R1 = R2 = R）可以按下式进行计算：

R = (Vbatt–Rds-on×Iload–Vzener)/Izen

其中，Vbatt 是电池电压，Rds-on 是 MOSFET 导通时的漏源电阻，Iload 是负载电流，Vzener 是齐纳二极管的反向击穿电压，而 Izen 是齐纳二极管的工作电流。

注意：这款 Maxim 的器件在+3V 电源下会带来 11Ω（2×5.5Ω）的串联电阻，而在+5V 电源下会带来 8Ω（2×4Ω）的串联电阻。