常用電路設(shè)計-防反接-電源控制-電源掉電（斷電）維持電路設(shè)計

電路可靠性設(shè)計防反接-電源控制-電源掉電（斷電）維持電路設(shè)計1電源防反接電路設(shè)計（二極管和MOS管應(yīng)用）1.1二極管防反設(shè)計1.1.1單個二極管防反通常情況下直流電源輸入防反接保護電路是利用二極管的單向?qū)щ娦詠韺崿F(xiàn)防反接保護。如下圖1示：圖1這種接法簡單可靠，但當(dāng)輸入大電流的情況下功耗影響是非常大的。以輸入電流額定值達到2A,如選用Onsemi的快速恢復(fù)二極管MUR3020PT，額定管壓降為0.7V，那么功耗至少也要達到：Pd＝2A×0.7V＝1.4W，這樣效率低，發(fā)熱量大，要加散熱器。優(yōu)點：電路簡單，成本較低。適用于小電流，對成本要求比較嚴(yán)的產(chǎn)品。缺點：由于二極管的PN結(jié)在導(dǎo)通時，存在一個壓降，一般在0.7V以下。這個壓降就導(dǎo)致這種電路不適合應(yīng)用在電流較大的電路中，如果電路有10A的電流，那么二極管的功耗就是0.7*10=7W，發(fā)熱量還是很可觀的。在結(jié)構(gòu)緊湊空間有限的產(chǎn)品中，對產(chǎn)品的穩(wěn)定性或人的使用感受上影響還是比較大的。1.1.1.1北云雙二極管防反接1.1.2二極管橋防反接設(shè)計另外還可以用二極管橋?qū)斎胱稣?，這樣電路就永遠有正確的極性(圖2)。這些方案的缺點是，二極管上的壓降會消耗能量。輸入電流為2A時，圖1中的電路功耗為1.4W，圖2中電路的功耗為2.8W。圖2優(yōu)點：輸入端無論怎樣接，電路都可以正常工作。缺點：存在兩個二極管的壓降。適用于小電流電路。1.1.3保險絲+（穩(wěn)壓）二極管的方案圖3上面的防接反電路采用了一個保險絲和一個反向并聯(lián)的穩(wěn)壓二極管（或二極管），電源極性正確，電路正常工作時，由于負(fù)載的存在電流較小，二極管處于反向阻斷狀態(tài)，保險絲不會被熔斷。當(dāng)電源接反時，二極管導(dǎo)通，此時壓降大部分都(VIN-0.7V)落在了保險絲上，電流比較大，就會將保險絲熔斷，從而切斷電源的供給，起到保護負(fù)載的作用。若是并聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，還有防過壓保護的功能。如當(dāng)電壓大于穩(wěn)壓管反向擊穿大壓時，保險絲和穩(wěn)壓二極管形成回路，此時壓降大部分都(VIN-0.7V)落在了保險絲上，電流比較大，就會將保險絲熔斷，從而切斷電源的供給，起到保護負(fù)載的作用。優(yōu)點：保險絲的壓降很小，不存在發(fā)熱問題。成本不高。缺點：一旦接反需要更換保險絲，操作比較麻煩。1.1.4零壓降二極管控制器防反接電路（配合MOS管應(yīng)用）1.1.4.1ADI理想二極管防反接電路1.2MOS管設(shè)計防反接保護電路利用了MOS管的開關(guān)特性，控制電路的導(dǎo)通和斷開來設(shè)計防反接保護電路，由于功率MOS管的內(nèi)阻很小，現(xiàn)在MOSFETRds（on）已經(jīng)能夠做到毫歐級，解決了現(xiàn)有采用二極管電源防反接方案存在的壓降和功耗過大的問題。極性反接保護將保護用場效應(yīng)管與被保護電路串聯(lián)連接。保護用場效應(yīng)管為PMOS場效應(yīng)管或NMOS場效應(yīng)管。若為PMOS，其柵極和源極分別連接被保護電路的接地端和電源端，其漏極連接被保護電路中PMOS元件的襯底。若是NMOS，其柵極和源極分別連接被保護電路的電源端和接地端，其漏極連接被保護電路中NMOS元件的襯底。一旦被保護電路的電源極性反接，保護用場效應(yīng)管會形成斷路，防止電流燒毀電路中的場效應(yīng)管元件，保護整體電路。具體N溝道MOS管防反接保護電路電路如圖4示1.用NMOS或者PMOS進行防反接的時候，與正常使用mos管的時候是不同的，比如NMOS串在電路里的時候，電流是從s流向d的。這樣做非常必要，因為寄生二極管在在加正向電源時首先被導(dǎo)通一小段時間(非常短)，之后MOS被導(dǎo)通，二極管被短路(MOS的內(nèi)阻非常小)，在加反向電壓的時候，體二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。2.關(guān)于分壓電阻和穩(wěn)壓二極管，其實都是為了保護mos管，比如對于NMOS，Vgs一般在大于5V的時候MOS是完全導(dǎo)通的，但是Vgs的電壓有一個限制一般是要小于20V的，所以根據(jù)你的輸入，合理的設(shè)置電阻和穩(wěn)壓二極管來保護你的g級。3.整流橋方案的好處是正反接電路都能工作但是損耗是串接二極管的兩倍，但是可以使用理想整流橋方案，就是一個芯片加四個NMOS，損耗很小，芯片的型號是LTXXXX圖4.NMOS管型防反接保護電路N溝道MOS管通過S管腳和D管腳串接于電源和負(fù)載之間，電阻R1為MOS管提供電壓偏置，利用MOS管的開關(guān)特性控制電路的導(dǎo)通和斷開，從而防止電源反接給負(fù)載帶來損壞。正接時候，R1提供VGS電壓，MOS飽和導(dǎo)通。反接的時候MOS不能導(dǎo)通，所以起到防反接作用。功率MOS管的Rds（on）只有20mΩ實際損耗很小，2A的電流，功耗為（2×2)×0.02=0.08W根本不用外加散熱片。解決了現(xiàn)有采用二極管電源防反接方案存在的壓降和功耗過大的問題。3.1、正接時候，R1提供VGS電壓，MOS飽和導(dǎo)通。反接的時候分壓電阻無電流流過無法提供G極電壓，MOS不能導(dǎo)通，所以起到防反接作用。3.2、對于電路中并聯(lián)在分壓電阻上的穩(wěn)壓二極管，因為場效應(yīng)管的輸入電阻是很高的，是一個壓控型器件，G極電壓要控制在20V內(nèi)，過高的電壓脈沖會導(dǎo)致G極的擊穿，這個穩(wěn)壓二極管就是起一個保護場效應(yīng)管防止擊穿的作用。3.3、對于并聯(lián)在分壓電阻上的電容，有一個軟啟動的作用。在電流開始流過的瞬間，電容充電，G極的電壓是逐步建立起來的。對于并聯(lián)在場效應(yīng)管D與S之間的阻容串聯(lián)電路，阻容串聯(lián)電路一般用作脈沖吸收或延時。用在這里要視負(fù)載的情況而定，加了或許反而不好。畢竟這會導(dǎo)致在電源在反接的時候會有一個短暫的導(dǎo)通脈沖。2、PMOS電路缺點：Pmos用Pmos串在V+上，但當(dāng)電源接反時，會出現(xiàn)板子所有芯片器件的地引腳突然接上電源的+極，雖然是浮空電源不通，一個老工程師說這樣可能有電壞芯片的隱患，后來用了Nmos串在V-上，能排除上面說的這種隱患，不過用Nmos管做防反接的圖片那個寄生二極管沒有出現(xiàn)，那個寄生二極管的方向很重要，應(yīng)該是S指向D，S為寄生二極管的正極。圖5.PMOS管型防反接保護電路VZ1為穩(wěn)壓管防止柵源電壓過高擊穿mos管。NMOS管的導(dǎo)通電阻比PMOS的小，最好選NMOS。NMOS價格要低。NMOS管接在電源的負(fù)極，柵極高電平導(dǎo)通。PMOS管接在電源的正極，柵極低電平導(dǎo)通。用MOS管做防反接的優(yōu)點是：1）MOS的過電流能力大>A級；2）等效電阻小，毫歐級，損耗小。

２電源輸入選擇電路模塊（二極管和MOS管應(yīng)用）2.1PMOS二選一設(shè)計輸入選擇電路用以實現(xiàn)對外接供電電源的選擇，本設(shè)計中采用目前主流的USB供電以及電源適配器供電兩種方式，以適應(yīng)不同的供電環(huán)境，外接電源的供電電壓需在4.5V～6V之間，當(dāng)兩者共同存在時，適配器具有優(yōu)先權(quán)，具體實現(xiàn)方法如圖3，分以下三種情況：只有電源適配器供電，PMOS管截止，輸入電壓經(jīng)D1降壓后，給后級電路供電，D1采用肖特基二極管，導(dǎo)通壓降約為0.3V；只有USB供電，PMOS管導(dǎo)通，D1用于防止USB接口通過電阻R2消耗電能；兩者同時存在，PMOS管截止，電源適配器輸入電壓經(jīng)D1降壓后，給后級電路供電。下面是《如韻電子》的設(shè)計案例CN3130可以利用多種輸入電源為電池充電，這些輸入電源可以是USB接口輸出的電壓，也可以是墻上適配器，或者是太陽能板等。圖1示出一個同時使用其中的兩種輸入電源對電池進行充電的例子，當(dāng)二者共同存在時，第一輸入電源具有優(yōu)先權(quán)。M1為P溝道MOSFET，M1用來阻止電流從第一輸入電源流入第二輸入電源，肖特基二極管D1可防止第二輸入電源通過1K電阻消耗能量。在實際應(yīng)用中，第一輸入電源應(yīng)接到電壓比較高，輸出電流能力比較強的電源上，相比之下，第二輸入電源應(yīng)當(dāng)接到電壓比較低，輸出電流能力比較弱的電源上。2.2二級管二選一設(shè)計2.2.1電源電壓完全相等的情況（電源二選一）系統(tǒng)整體電路所示。由輸入選擇電路選擇外接電源的供電方式，電源輸入的電壓值為4.5V~6V，有外接電源時，直接經(jīng)3.3V穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后輸出，如果電池電量不足時，同時通過鋰電池充電電路對鋰電池進行充電；沒有外接電源時，由鋰電池供電，經(jīng)3.3V低壓差線性穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后輸出，供電選擇電路根據(jù)是否有外接電源，選擇由外接電源供電或者鋰電池供電。2.2.2電源電壓可能不完全相等的情況（電源二選一）若X23≥X24，不可靠。電源X24與電源X23的選擇，給系統(tǒng)提供5V電源。設(shè)計要求，要求X24和X23同時供電時，要求系統(tǒng)自動切換到X24供電。實際應(yīng)用時，X23與X24兩個電壓不完全相同，若X24的電壓≥X23，才可能實現(xiàn)設(shè)計需求。若X23≥X24，當(dāng)電流較小時，D14的壓降非常小，在X23大于X24的情況下，X23的電源導(dǎo)通給系統(tǒng)5V供電，導(dǎo)致與X24短路，給X24倒灌電流，充電(導(dǎo)致電流較大，燒毀X24的后級電路)。在這種情況下，應(yīng)采購如下電路設(shè)計：2.3理想二極管多選一電路設(shè)計

3電源控制電路3.1通過電源EN來控制電源這一節(jié)，可以詳見電源部分EN用法介紹。本小節(jié)，只做簡介方案介紹。3.1.1直接用GPIO腳控制1）當(dāng)EN腳的電壓VEN在GPIO信號的電壓的范圍內(nèi)時：可直接用GPIO腳控制，電源EN腳不能上拉至電源，因為若上拉電壓大于GPIO信號電壓時，GPIO會電流倒灌(若是防倒灌GPIO腳不受限制)，或若上拉后VEN電壓大于GPIO所承受的電壓，會損壞GPIO腳。若是推挽輸出，可能會給GPIO測電源充電，損壞GPIO側(cè)電源。2）當(dāng)EN的使能電壓大于GPIO信號的VIH時：GPIO可以通過電平轉(zhuǎn)換芯片，達到VEN的使能要求。另個可以用以下電路來實現(xiàn)。VEN控制電路在使用該電路時，Q13飽和VCE壓降應(yīng)小于EN的VIL。若三極管的VCE較大時，Q13導(dǎo)通，VCE》1.2V時，VEN可能會使能電源，導(dǎo)致控制失效。3）用電源輸入VIN電壓較大時，需通過電阻分壓（需考慮EN腳內(nèi)部電阻），以滿足VEN的要求。也可以VEN通過上拉至板內(nèi)其它小電電源。4）en腳上拉至自身電源，以使電源正常工作，此種情況，需用其它電源來控制EN，以滿足電路時序需求時，應(yīng)斷開自身電源的上拉電阻，否則自身電源與控制使的電源只有電阻連接，將導(dǎo)致大電壓電源給小電壓電源充電，損壞小電源電路。3.2通過電源開關(guān)直接連接電源正極直接將開關(guān)器件接在正極上，以斷開電路。當(dāng)電路電流較小時，可以直接使用，對開關(guān)器件的要求較低，價格也便宜；當(dāng)電路電流較大時，對開關(guān)器件過電流能力較高，一般大電流的開關(guān)器件難找，成價較高。3.3通過PMOS管和開關(guān)器件切斷電源正極(EMI濾波、電流功耗檢測)圖：HW-Z1-ZCU104開關(guān)電路(xiLinx)1）電路工作原理分析電源開關(guān)電路工作原理：A部分為開關(guān)電路，主要通過MOS管去切斷電源通路，電路的優(yōu)點是降低開關(guān)器件的電流要求，進一步降低本。注：此電路沒有防反接的功能，僅作為開關(guān)電源開關(guān)電路使用。電源開關(guān)A工作原理：當(dāng)SW1置OFF，VCC12V輸入12V時：Q7,Q4關(guān)閉，V1電壓為12V；因不能形成回路V2電壓為12V；V3電壓為0V;當(dāng)SW1置ON，VCC12V輸入12V時：V1=12V,Q4的VGS>VGSth,Q4導(dǎo)通，R269、R412、Q4形成通路，V2=[R412/(R269+R412)]。(V2-12V)小于PMOS管Q7的VGSth，Q7導(dǎo)通。V3為輸入12V。電路設(shè)計關(guān)鍵點：a）Q4的S端必需接地，這樣體二極管就不會導(dǎo)通，也就不存在開關(guān)SW1不管拔到ON或OFF的情況下，都導(dǎo)通的問題。b)Q7的S端必需接VCC12V，否則VCC12V會通過體二極管導(dǎo)通，給系統(tǒng)供電，導(dǎo)致開關(guān)失靈。c)用R269、R412的目的，就是為了降低VGS端的最大耐壓，避免燒毀Q7管，同樣Q4也要注意VGS電壓的設(shè)計，暫時設(shè)計為VGSmax的1/2。2）無防反接功能分析該電路無防反接功能，具體分析如下。當(dāng)SW1置OFF，VCC12V接GND，GND接12V時，通過Q4體二極管，Q4、R412、R269形成回路，電流為12V/（R269+R412）；另一通路會通過Q7的體二積管導(dǎo)通，形成回路，電流為12V/R，一般為A級電流。通過分析，正反接錯，不是因為電流大燒毀電路，而是因為大部分器件有極性或耐負(fù)電壓的極限值較小，而燒毀電路。EMI電路B工作原理：U25為型號BNX016-01的LC電路。電壓和功率檢測電路C工作原理：待定3.3.1PMOS管+PMOS+開關(guān)器件改進應(yīng)用注：當(dāng)SW1置ON，VCC12V輸入12V時，V1萬用表測量6V、V2為8V,V3為12V，基本與理論計算一致。本電路防反接電路未驗證。Q22參數(shù)的計算：BSS138PW,115，VGSth為0.9V~1.5V，VGSth<±20V，所以V1電壓可計算為，由電壓可得公式(1)1.5V<V1=VI*R923/（R921+R921）<VGS/2為了節(jié)損功率，將電流控制在uA級，取R921為20K，可計算出VI為3V~20V，Q22都能導(dǎo)通。由Q22電流ID<0.32A，從節(jié)省功率的角度，可取R919、R920電阻10K級。Q21型號為SIA449DJ-T1-GE3,VGSth為-0.6V~-1.2V，VGSth<±12V，所以V2電壓可計算為，由電壓可得公式(2)VGS/2<(V2-VI)=VI*R920（R919+920）-VI<-1.2本表為確認(rèn)電阻，在推電壓值。也可先確為電壓，在推電阻取值。Q22R923R921VI備注BSS138PW,11520K20K3V~20V取1/2VGSmax計算Q21R919R20VI取1/2VGSmax計算SIA449DJ-T1-GE310K20K3.6V~18V3.3.2PMOS+NPN管+信號控制切斷電源正極3.4電源上電時序控制3.5電源上電延時電路設(shè)計

4電源掉電（