电源反接保护电路:MOS防电源反接电路、自恢复保险丝过流反接保护电路

经常会有用户将设备的电源正负接反的事情。

虽然现今这个社会已经默认了没按规定去操作就要全责,但谁都不想因为这事儿伤了和气,以后还要合作不是,更何况增加反接保护只要几毛钱的Bom成本,有的地方该加还是要加啊。天灾难避免,人祸需先防。

电源输入的反接保护电路,一般有以下两种电路形式:

一、自恢复保险丝 + 二极管。

优点:防反接的同时,还防过流。

缺点:1.自恢复保险丝有个0.xV左右的压降,大电流时会发热。

           2.高耐压大电流的自恢复保险丝,不仅体积巨大,还贵。

原理:- 电源极性正确接入时,二极管关断,相当于电路回路中串联了一个自恢复保险丝。

           - 电源反接时,二极管导通,使自恢复保险丝过流熔断,电流回路开路。

                                   待自恢复保险丝恢复时,重复熔断。

                                   所以反接的时候,自恢复保险丝会反复熔断、恢复,自恢复保险丝和二极管会些许发热

设计要点D1的工作电流,起码要大于 F1的熔断电流(自恢复保险丝的熔断电流一般为工作电流的2倍,具体看手册)。

完整电路像这样:

二、MOS管(N/P)

优点:占地面积小,成本低,压降小,可过大电流。

原理:PMOS、NMOS做反接保护的原理都一样,以PMOS的电路为例。

           PMOS:- 电源极性正常接入时。Q2的寄生二极管导通,右侧S极的电压为 (24 - 0.7)=23.3V。

                                                               G极电压为 R9、R10的分压 24 x (200/(100+200))= 16V。

                                                               于是 Q2的 Vgs = 16 - 23.3 = -7.3V。

                                                               大于 AO3401的门极导通阀限电压 -1.3V,MOS管 DS极导通。

                                                               MOS导通后,MOS的寄生二极管被 DS短路。

                                                               此时的压降 Vds仅等于 MOS-DS极内阻 x 电流,Q2热功耗很小。

                         - 电源反接时,Q2的寄生二极管关断,DS极需要承受电压。

设计要点R9、R10的取值,要保证不会超出 最大Vgs电压范围,并且留有一定安全余量。

                  MOS管的选型,要考虑 Vds、Vgs、DS极导通电阻(Rds-on)、DS极电流

                  MOS尽量使用 Rds-on小的型号。

P-MOS 反接保护电路:

图中 R9、R10为分压作用。使 P-MOS的 Vgs,不会超过 ±12V的最大 Vgs电压范围,并且留有一定安全余量。

AO3401 关键手册参数截图:

N-MOS 反接保护电路:

图中 R9、R10为分压作用。使 N-MOS的 Vgs,不会超过 ±12V的最大 Vgs电压范围,并且留有一定安全余量。

AO3400 关键手册参数截图:

### MOS防反接电路设计 为了电源极性错误连接造成的损坏,在许多应用中会采用MOSFET来构建防反接电路。这种电路利用了N沟道增强型MOSFET的体二极管特性,只有当输入电压正向施加时才导通,从而阻止了反向电动。 #### 防反接基本原理 通过将一个N沟道MOSFET串联在供电线路中,并使源极端子接地而漏极端接到负载一侧,则可以实现单方向传导功能。由于MOSFET内部存在寄生二极管,该二极管的方向是从源极指向漏极,因此即使发生反相接入情况也不会影响后续电路的安全[^1]。 ```circuitikz \begin{circuitikz} \draw (0,0) to [short,o-*] ++(2,0); \node at (1,-0.5){$V_{in}$}; \draw (2,0) node[nmos](NMOS){} (NMOS.S) --++(-90:1cm)-|($(NMOS.G)+(0,-0.5)$)--++(180:1cm)|-(NMOS.D) ; \draw (NMOS.D) to [short,*-o] ++(2,0) node[right]{Load}; \draw (NMOS.S) |- ($(NMOS.S)+(-1,-1)$) to[R,l=$R_g$,v>^<=$V_G$] (-1,-1|-NMOS.S.west) -| (NMOS.G); \end{circuitikz} ``` ### 过压保护机制 对于过压状况下的护措施通常涉及以下几个方面: - **钳位元件**:如TVS瞬态抑制二极管能够快速响应并吸收超过设定阈值的能量; - **限电阻**:用于限制入敏感组件的最大电强度; - **自动断路器/保险丝**:一旦检测到异常高的电压水平即刻切断电力供应路径以保障安全。 具体来说,在基于MOS器件的应用场合下,可以在其栅极加入额外的箝位网络来确保不会因过高门控信号而导致永久损害。 ### 缓慢启动策略 缓慢启动是指系统上电瞬间不是立即达到正常工作状态而是经过一段时间逐渐过渡的过程。这有助于减少冲击电对整个系统的负面影响以及延长使用寿命。一种常见的做法是在MOS开关前级增加RC延迟环节,使得开启过程更加平稳可控。 ```python import numpy as np from matplotlib import pyplot as plt time = np.linspace(0, 1e-3, num=1000) def rc_charge(tau): return 1 - np.exp(-time / tau) plt.plot(time * 1e3, rc_charge(1e-4)) plt.xlabel('Time(ms)') plt.ylabel('Voltage(V)') plt.title('Capacitor Charging Curve') plt.grid(True) plt.show() ```
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