電池充電器反向保護(hù)電路工作原理圖解

第第頁電池充電器反向保護(hù)電路工作原理圖解一、傳統(tǒng)處理（電源）電壓反轉(zhuǎn)方法

處理電源電壓反轉(zhuǎn)有一些眾所周知的方法，最明顯的解決方案是在電源和負(fù)載之間連接一個（二極管），但二極管的正向電壓會導(dǎo)致功耗增加。在實際應(yīng)用二極管并不可取，因為電池在充電時必須吸收（電流），在不充電時必須提（供電）流。

另一種方法是使用MOS電路，如下所示。該技術(shù)的比在負(fù)載側(cè)電路中使用二極管會更好一點，因此電源電壓會升壓MOS，從而降低壓降并顯著提高電導(dǎo)。由于分立NMOS管具有更強(qiáng)的導(dǎo)電性，成本更低，可用性也更高，因此NMOS版本比PMOS版本好，當(dāng)電池電壓為正時，兩個電路中的MOS管均導(dǎo)通，當(dāng)電池電壓反向時，則斷開。PMOS管版本具有較高電勢，而NMOS管版本具有較低電勢，因此MOS管的物理”漏極“成為電源。MOS管在兩個方向上都能很好地傳導(dǎo)電流，因為它們在三極管區(qū)域中是電對稱的。使用此方法時，（晶體管）的最大VGS和VDS額定值必須高于電池電壓。

傳統(tǒng)負(fù)載側(cè)反接保護(hù)

不過，該解決方案只適用于負(fù)載側(cè)電路，不使用電池充電電路。電池充電器提供電源，重新啟用MOS管，并恢復(fù)電池反向連接。下圖顯示了正在運行的NMOS管版本，電池處于故障狀態(tài)。

帶一個電池充電器的負(fù)載側(cè)（保護(hù)電路）

當(dāng)電池插入時，電池充電器關(guān)閉，并且負(fù)載和電池充電器與反向電池安全分離。當(dāng)充電器打開時（例如連接輸入（電源連接器）），NMOS的柵極和源極之間會產(chǎn)生電壓，從而提高NMOS的傳導(dǎo)電流的能力。下圖更詳細(xì)地描述了這一點。

統(tǒng)電池反向保護(hù)方案對電池充電器電路無效盡管負(fù)載和充電器受到反向電壓保護(hù)，但保護(hù)性（MOSFET）仍面臨高功耗問題。然后電池充電器變成電池放電器。當(dāng)電池充電器為MOSFET提供足夠的柵極支持以吸收充電器電流時，電路將達(dá)到平衡。如果大功率MOS管的VTH約為2V，并且充電器可以提供2V電流，則電池充電器輸出電壓將調(diào)節(jié)在2V（MOS管漏極為2V+電池電壓）。（IC）HARGE?(VTH+VBAT)是MOS管中的功耗，這會導(dǎo)致MOS管加熱并從印刷電路板上散熱。該電路的PMOS版本也是如此。下面介紹了此方法的兩種替代方法，每種方法都有自己的優(yōu)點和缺點。

二、N溝道MOSFET設(shè)計

1、第一種解決方案時使用NMOS隔離器件根據(jù)電路算法，如果電池電壓超過電池充電器輸出電壓，則必須禁用隔離MOS管。在此電路中，MN1連接在充電器/負(fù)載和電池（端子）之間的電線的低壓側(cè)，像上面的NMOS管方法中的情況一樣。然而，在電池反向連接的情況下，晶體管MP1和Q1現(xiàn)在提供禁用MN1的（檢測）電路。通過將電池反接，MP1的來源上升到其柵極上方，該柵極連接到充電器的正極端子。接著MP1的漏極通過R1向Q1的基極提供電流。然后，MN1的柵極通過Q1分流至地，從而防止充電電流流入MN1。

電池反接電路在反向檢測期間，R1負(fù)責(zé)管理流向Q1的基極電流，而R2負(fù)責(zé)在正常工作期間為Q1的基極提供泄放電流。R3允許Q1將MN1的柵極拉至地電位。R3/R4分壓器控制MN1柵極上的電壓，使柵極電壓在反向電池?zé)岵灏纹陂g下降得更小。最壞的情況是當(dāng)反向電池連接到已經(jīng)運行并提供恒定電壓水平的電池充電器時。在這種情況下，必須盡快關(guān)閉MN1，以減少高功率消耗的時間。該版本電路中的R3和R4最適合12V鉛酸電池應(yīng)用，但在單節(jié)和兩節(jié)等較低電壓應(yīng)用中可以省略R4鋰離子設(shè)備。在電池反向連接期間，（電容）C1充當(dāng)超快速（電荷泵），降低MN1的柵極電平。當(dāng)連接反向電池時，C1在充電器再次啟用的最壞情況下很有用。

電池反接電路該電路的缺點是需要使用額外的元件，并且R3/R4分壓器對電池造成較小但持續(xù)的壓力。大多數(shù)此類組件都很小。MP1和Q1不是功率器件，通常采用SOT23-3、SC70-3或更小的SOT23-3、SC70-3或更小的SOT23-3、SC70-3或更小的SOT23-3、SC70-3、或更小的S.因為MN1是傳輸器件，所以應(yīng)該具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，但不需要特別大。即使對于中等導(dǎo)電器件，其功耗也很低，因為它工作在深三極管區(qū)域并且具有很強(qiáng)的柵極強(qiáng)化。例如，寬度小于100m的晶體管通常采用SOT23-3封裝。

電池反擊電路利用微小的傳輸晶體管的缺點是，由于與電池充電器串聯(lián)的（電阻）增加，導(dǎo)致恒壓充電階段的充電時間增加。如果電池及其連線等效串聯(lián)電阻為100m，并采用100m隔離晶體管，則恒壓充電階段的充電時間會增加。(更多干貨@電路一點通)MP1和Q1的檢測和停用電路無法很快停用MN1，而且也不必如此。在電池反向連接期間，MN1消耗大量電量，但關(guān)斷電路只是“最后”斷開MN1。MN1必須在加熱到造成傷害之前斷開連接。幾十微秒的斷開時間可能就足夠了。然而，在反向電池有機(jī)會將充電器和負(fù)載電壓拉至負(fù)值之前禁用MN1至關(guān)重要，因此需要C1。該電路本質(zhì)上具有一條交流和一條直流禁用路徑。2、測試電路使用鉛酸電池和LTC4015電池充電器來測試該電路。當(dāng)反向電池?zé)岵灏螘r，電池充電器關(guān)閉，如下圖所示，充電器和負(fù)載不受反向電壓的影響。

充電器關(guān)閉狀態(tài)下的NMOS保護(hù)電路值得一提的是，MN1要求VDS與電池電壓相同，VGS為電池電壓的1/2。MP1需要與電池電壓相同的VDS和VGS額定值。當(dāng)反向電池?zé)岵灏螘r，下圖描述了更嚴(yán)重的情況，其中電池充電器已經(jīng)正常運行。電池反向連接會降低充電器的電壓，直到檢測和保護(hù)電路將其關(guān)閉，從而使充電器能夠安全地恢復(fù)到其恒定電壓水平。一種應(yīng)用與另一種應(yīng)用的動態(tài)會有所不同，并且電池充電器的電容將對最終輸出產(chǎn)生重大影響。本測試中的電池充電器具有高Q值陶瓷電容和低Q值（聚合）物電容。

充電器運行時的NMOS保護(hù)電路最后，在電池充電器上，建議使用（鋁聚合物）和鋁（電解電容），以提高常規(guī)正極電池?zé)岵灏纹陂g的性能。由于其嚴(yán)重的非線性，純陶瓷電容在熱插拔時會產(chǎn)生相當(dāng)大的過沖；其原因是，當(dāng)電壓從0V升至額定電壓時，它們的電容會下降驚人的80%。這種非線性會導(dǎo)致低電壓下的快速電流和電壓升高時電容快速減小的致命組合，從而導(dǎo)致非常高的電壓過沖。最有彈性的組合似乎是陶瓷電容與低Q電壓穩(wěn)定鋁電容甚至（鉭電容）配對。

三、P溝道MOSFET設(shè)計

1、PMOS晶體管作為保護(hù)器件本電路中MP1為電池反接檢測器件，MP2為反接隔離器件。使用MP1的源極至柵極電壓將電池的正極端子與電池充電器輸出進(jìn)行比較。如果電池充電器端電壓高于電池電壓，MP1將禁用主傳輸裝置MP2。結(jié)果，如果電池電壓被驅(qū)動至低于地電壓，則檢測器件MP1將明顯導(dǎo)致傳輸器件MP2關(guān)斷（干擾其柵極到其源極）。無論電池充電器是否啟用并創(chuàng)建充電電壓，都會完成此操作（0V）。

PMOS晶體管傳輸元件版本該電路最顯著的好處是PMOS隔離晶體管MP2無權(quán)向充電器電路或負(fù)載提供負(fù)電壓。下圖顯示了這一點。通過R1，MP2柵極上可達(dá)到的最低電壓為0V。盡管MP2的漏極被拖至地底以下，但源極并未施加顯著的電壓下行壓力。晶體管將自行去偏壓，其導(dǎo)電性將逐漸消失，直到源電壓降至VTH（此時晶體管高于地電壓）。晶體管的去偏壓程度越高，源電壓越接近地。這一特性加上簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得該方法比之前討論的NMOS方法更具吸引力。與NMOS方法相比，PMOS晶體管的缺點是電導(dǎo)率較低且成本較高。

共源共柵效應(yīng)說明盡管該電路比NMOS技術(shù)簡單，但它有一個很大的缺點。雖然它始終可以防止反向電壓，但電路可能并不總是連接到電池。當(dāng)門如圖所示交叉（耦合）時，該電路會生成鎖存存儲元件，該元件能夠拾取不正確的狀態(tài)。有一種情況，當(dāng)充電器產(chǎn)生電壓（比如12V）時，電池以較低的電壓（比如8V）連接，并且電路被拔掉，這很難執(zhí)行。在這種情況下，MP1的源極至柵極電壓為+4V，這會增強(qiáng)MP1，同時禁用MP2。下圖描述了這種情況，并給出了節(jié)點的穩(wěn)定電壓。

使用PMOS保護(hù)電路時可能的阻斷狀態(tài)圖當(dāng)連接電池時，充電器必須已經(jīng)運行才能實現(xiàn)這種情況。如果在充電器打開之前連接電池，電池會拉高M(jìn)P1的柵極電壓，從而停用MP1。當(dāng)充電器打開時，它會產(chǎn)生受控電流（而不是大電流浪涌），這會減少MP1打開而MP2保持關(guān)閉的機(jī)會。如果在連接電池之前啟用充電器，MP1的柵極將簡單地跟隨電池充電器輸出，因為泄放（電阻器）R2將其上拉。當(dāng)電池未插入時，MP1不會打開并使MP2停止運行。當(dāng)充電器已打開且電池已連接時，就會出現(xiàn)問題。在這種情況下，充電器輸出和電池端子之間存在短暫的電壓差，導(dǎo)致當(dāng)充電器（電容器）由于電池電壓而下降時，MP1禁用MP2。這導(dǎo)致MP2從充電器電容吸取電荷的能力與MP1禁用MP2的能力之間的斗爭。

2、測試電路

使用鉛酸電池和LTC4015電池充電器來測試電路。將嚴(yán)重負(fù)載的6V電源（例如電池（仿真））連接到已啟用的電池充電器將永遠(yuǎn)不會觸發(fā)“斷開連接”情況。所進(jìn)行的測試還不夠，重要的應(yīng)用程序應(yīng)該進(jìn)行廣泛的測試。即使電路鎖定，斷開并重新啟用電池充電器也始終會導(dǎo)致重新連接。在R1的頂部和電池充電器的輸出之間臨時連接可以用來指示故障情況。另一方面，該電路被認(rèn)為更容易發(fā)生連接。如果發(fā)生連接故障，可以創(chuàng)建一個電路，使用多個設(shè)備禁用電池充電器。下圖顯示了更完整的電路。

更高電壓電池反接保護(hù)當(dāng)充電器關(guān)閉時，下圖顯示了PMOS保護(hù)電路的效果。需要注意的是，電池充電器和負(fù)載電壓永遠(yuǎn)不會遇到負(fù)電壓傳輸。

充電器關(guān)閉時的PMOS保護(hù)電路在“反向電池?zé)岵灏螘r充電器已經(jīng)運行”的不利情況下，電路如下所示。反向電池與NMOS電路一樣，在斷開電路并關(guān)閉傳輸晶體管MP2之前會稍微降低充電器和負(fù)載電壓。在該版本的電路中，晶體管MP2必須能夠承受兩倍于電池電壓的VDS（一個用于充電器，一個用于反向電池），并且VGS等于電池電壓。另一方面，MP1必須維持等于電池電壓的VDS和兩倍于電池電壓的VGS。這是很麻煩的，因為MOSFET晶體管的額定VDS總是超過額定VGS。對于鉛酸電池應(yīng)用，可以使用具有30VVGS和40VVDS容差的晶體管。為了支持更高電壓的電池，必須通過添加齊納二極管和限流電阻來修改電路。

充電器運行時PMOS保護(hù)電路下圖顯示了能夠處理兩個串聯(lián)堆疊的鉛酸電池的電路示例。