MOS管设计如何防反接电路?

电子元件大都是使用直流工作,电源线反接就有可能就会烧坏,那电路如何防反接?首当其冲我们想到的就是二极管了,运用其单向导通特性可有效防止电源反接而损坏电路,但是随之而来的问题是二极管存在PN节电压,通常在0.7V左右,低电流是影响不明显,但流过大电流时,如流过1A电流其会产生0.7W的功耗,0.7W的功耗发热对元件本身及周边元件的可靠性是个非常大的考验。

可见二极管防反接最大问题是管压降,越低损耗就越小。在晶体管中导通压降最低的就属场效应管了,就是我们平常叫的MOS管,那如何运用MOS管这一优良特性设计防反接电路?如下图所示:

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 NMOS防反接电路

当输入上正下负时,下图黄色线条所示电流路径,经过R1、R2,MOS寄生二极管到地,R1与R2分压后其GS极电压大于MOS导通电压Vgs,MOS导通,红色线条所示的整个电路回路接通。

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 正向导通时电流路径

当输入上负下正时,下图黄色线条所示电流路径,电流路径被MOS寄生二极管反向截止,MOS管因GS极没有电压而截止,整个电路回路断开,有效保护了系统电路。

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 反向截止电流路径

上面介绍了NMOS防反接,PMOS防反接电路如下,其防反接原理与NMOS一致,不再赘述。

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PMOS防反接电路

通常电路系统是共地的就用POMS防反接,共源就用NMOS防反接。

### MOS防反接电路设计 为了防止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,从而阻止了反向电流流动。 #### 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 对于过压状况下的防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; - **限流电阻**:用于限制流入敏感组件的最大电流强度; - **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流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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