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電源防反接電路的幾種實(shí)現(xiàn)方案

時(shí)間：2020-11-25 15:54:25
關(guān)鍵字： 元器件    電源設(shè)計(jì)   
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[導(dǎo)讀]電子產(chǎn)品要正常工作，就離不開(kāi)電源。像手機(jī)、智能手環(huán)這種消費(fèi)類(lèi)電子，其充電接口都是標(biāo)準(zhǔn)的接插件，不存在接線的情況，更不會(huì)存在電源接反的情況。但在工業(yè)、自動(dòng)化應(yīng)用中，有很多產(chǎn)品是需要手動(dòng)接線的，即使操作人員做事情再認(rèn)真，也難免會(huì)出錯(cuò)。如果把電源線接反了，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品被燒掉。

電子產(chǎn)品要正常工作，就離不開(kāi)電源。像手機(jī)、智能手環(huán)這種消費(fèi)類(lèi)電子，其充電接口都是標(biāo)準(zhǔn)的接插件，不存在接線的情況，更不會(huì)存在電源接反的情況。

但是，在工業(yè)、自動(dòng)化應(yīng)用中，有很多產(chǎn)品是需要手動(dòng)接線的，即使操作人員做事情再認(rèn)真，也難免會(huì)出錯(cuò)。如果把電源線接反了，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品被燒掉。

圖1 - 手工接線
那如果在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候，就考慮了電源防接反而設(shè)計(jì)了防接反電路是不是會(huì)方便很多呢？今天就來(lái)討論一下如何實(shí)現(xiàn)電源防接反，電源防接反的電路有哪些。

1.使用二極管防止電源接反

二極管就有單向?qū)щ姷奶匦?，在二極管的兩端加上合適的正向電壓后，二極管導(dǎo)通；而如果加上反向電壓后，二極管截止。利用二極管的這個(gè)特性可以實(shí)現(xiàn)電源的防接反電路，將二極管正向串聯(lián)在電路中即可。使用二極管搭建的電源防接反電路如圖2所示。

圖2- 二極管防反接電路

二極管防反接電路分析
將二極管正向串聯(lián)在電路中，如果電源接線正確的話，PN節(jié)正偏使二極管導(dǎo)通，負(fù)載得電工作，二極管產(chǎn)生(0.7-3)V的電壓降。如果二極管反接的話，PN節(jié)處于反偏狀態(tài)，電阻非常大，電路不通，從而保護(hù)了負(fù)載的安全。
電路仿真
電路仿真如圖3所示，左圖電源的接線是正確的，負(fù)載LED被點(diǎn)亮；右圖電源的接線反了，負(fù)載LED不工作。由此可見(jiàn)二極管可以實(shí)現(xiàn)電源防反接功能，電源接反后，電路不通，負(fù)載不工作，而不會(huì)把負(fù)載燒壞。

圖3 - 電路仿真
二極管防反接電路的優(yōu)缺點(diǎn)分析
該電路的優(yōu)點(diǎn)很明顯，電路簡(jiǎn)單，實(shí)用性較強(qiáng)，關(guān)鍵成本很低。但是卻存在幾個(gè)缺點(diǎn)，如下：

缺點(diǎn)一，二極管具有正向電壓降，壓降范圍為(0.7-3)V，對(duì)于低電壓而言可能不適用，分壓后可能導(dǎo)致負(fù)載電壓不夠。

缺點(diǎn)二，二極管的耐壓很高，但是過(guò)電流能力有限，例如4007二極管的最大正向連續(xù)電流約為1A。

2.使用P-MOS防止電源接反

MOS管是一種壓控型的半導(dǎo)體器件，應(yīng)用廣泛，可以分為P-MOS和N-MOS，具有三個(gè)電極，分別為柵極G、漏極D和源極S?？梢允褂迷撈骷?lái)實(shí)現(xiàn)電源的防反接，使用P-MOS實(shí)現(xiàn)防反接的電路示意圖如圖4所示。

圖4 - PMOS防反接電路
P-MOS防反接電路分析
P-MOS的導(dǎo)通條件時(shí)柵極和源極之間的電壓VGS<0時(shí)導(dǎo)通，否則截止，利用P-MOS防電源反接時(shí)，P-MOS接在高側(cè)，即靠近電源正極一側(cè)。

當(dāng)電源接線正確時(shí)，假設(shè)電源電壓為U，柵極G為低電平，由于寄生二極管的原因，使得源極S的電位為U-0.7，所以VGS<0,P-MOS管導(dǎo)通，從而使負(fù)載得電，電路正常工作。

當(dāng)電源反接時(shí)，柵極G為高電平，VGS>0，所以P-MOS不導(dǎo)通，電路不工作。
P-MOS防反接電路仿真
仿真電路圖如圖5所示。左圖是電源接線正確的電路圖，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮；右圖是電源接線錯(cuò)誤的電路圖，發(fā)光二極管不工作。

圖5- PMOS仿真電路

P-MOS防反接注意事項(xiàng)/優(yōu)缺點(diǎn)
P-MOS要接在電源的正極一側(cè)，并且要將寄生二極管正向串聯(lián)在電路中，其工作原理正是利用了二極管的單向?qū)щ娞匦裕@個(gè)應(yīng)用要和P-MOS的開(kāi)關(guān)應(yīng)用區(qū)分開(kāi)。

其優(yōu)點(diǎn)就是導(dǎo)通壓降小，因?yàn)镸OS管的導(dǎo)通內(nèi)阻非常小，所以壓降非常小。
3.使用N-MOS防止電源接反
N-MOS防電源反接的電路和P-MOS的工作原理是一樣的，只不過(guò)N-MOS需要接在電源負(fù)極一側(cè)，即低端。N-MOS防反接的電路示意圖如圖6所示。

圖6- NMOS實(shí)現(xiàn)電源防反接電路

N-MOS防反接電路分析
N-MOS的導(dǎo)通條件時(shí)柵極和源極之間的電壓VGS>0時(shí)導(dǎo)通，否則截止，利用N-MOS防電源反接時(shí)，N-MOS接在低側(cè)，即靠近電源負(fù)極一側(cè)。
當(dāng)電源接線正確時(shí)，假設(shè)電源電壓為U，柵極G為高電平U，由于寄生二極管的原因，使得源極S的電位為0.7，所以VGS>0,N-MOS管導(dǎo)通，從而使負(fù)載得電，電路正常工作。

當(dāng)電源反接時(shí)，柵極G為低電平，VGS=0，所以N-MOS不導(dǎo)通，電路不工作。

N-MOS防反接電路仿真
N-MOS仿真電路圖如圖7所示。左圖是接線正確的電路圖，右圖是接線錯(cuò)誤的電路圖。接線正確時(shí)負(fù)載工作，接線錯(cuò)誤時(shí)電路不通。

圖7 - NMOS仿真電路

N-MOS防反接注意事項(xiàng)/優(yōu)缺點(diǎn)
NMOS需要接在電源的低側(cè)，即靠近負(fù)極的一側(cè)，其防止反接的原理與P-MOS防反接原理一致，寄生二極管也是正向串聯(lián)在電路中，NMOS導(dǎo)通后將寄生二極管短路掉。

其優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)镸OS管的導(dǎo)通電阻非常小，只有幾個(gè)mΩ，所以壓降非常小。與P-MOS相比，同系列N-MOS的內(nèi)阻更小。
4.使用整流橋?qū)崿F(xiàn)電源接線的無(wú)極性
除了防反接之外，還可以使用整流橋?qū)崿F(xiàn)電源的無(wú)極性，即電源正接、反接都可以，電路都可以正常工作。

整流橋是由四個(gè)二極管所構(gòu)成的電路，經(jīng)常用在交流轉(zhuǎn)直流的整流電路中，在交流的每個(gè)周期有兩個(gè)二極管同時(shí)導(dǎo)通而另外兩個(gè)二極管截止，依次輪換。
整流橋仿真電路
整流橋所實(shí)現(xiàn)的仿真電路如圖8所示。從圖8可以看出，不管電源正接還是反接，負(fù)載LED都能發(fā)光，所以整流橋?qū)崿F(xiàn)了電源的無(wú)極性。

圖8 - 整流橋仿真電路

整流橋防反接電路分析
四個(gè)二極管組成了整流橋，在不同極性下，只有兩個(gè)二極管導(dǎo)通工作，另外兩個(gè)處于截止?fàn)顟B(tài)，圖8也畫(huà)出了不同電源接法下，電流的方向，從圖中可以看出，只有對(duì)橋臂的兩個(gè)二極管導(dǎo)通，而另外兩個(gè)二極管截止。這也是整流電路的原理。

整流橋防反接電路優(yōu)缺點(diǎn)分析
該電路不再對(duì)電源的極性有要求，實(shí)現(xiàn)了電源的任意接法，這時(shí)最大的優(yōu)點(diǎn)。但缺點(diǎn)是，因?yàn)槎O管的正向壓降，不適用于低電壓的電路，而且過(guò)電流能力較差。

5.電源防反接技術(shù)總結(jié)

上邊介紹的幾種方案都跟二極管有關(guān)系，都是利用了二極管的單向?qū)щ娞匦裕鞘芟抻诙O管的正向電流和正向?qū)▔航?，不適用于大電流應(yīng)用和電壓較低的應(yīng)用。


-END-


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作者 |?劉小舒


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