电源防反接电路的几种实现方案

嵌入式ARM 2020-11-22 00:00

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电子产品要正常工作，就离不开电源。像手机、智能手环这种消费类电子，其充电接口都是标准的接插件，不存在接线的情况，更不会存在电源接反的情况。

但是，在工业、自动化应用中，有很多产品是需要手动接线的，即使操作人员做事情再认真，也难免会出错。如果把电源线接反了，可能会导致产品被烧掉。

图1 - 手工接线

那如果在设计产品的时候，就考虑了电源防接反而设计了防接反电路是不是会方便很多呢？今天就来讨论一下如何实现电源防接反，电源防接反的电路有哪些。

1.使用二极管防止电源接反

二极管就有单向导电的特性，在二极管的两端加上合适的正向电压后，二极管导通；而如果加上反向电压后，二极管截止。利用二极管的这个特性可以实现电源的防接反电路，将二极管正向串联在电路中即可。使用二极管搭建的电源防接反电路如图2所示。

图2- 二极管防反接电路

二极管防反接电路分析

将二极管正向串联在电路中，如果电源接线正确的话，PN节正偏使二极管导通，负载得电工作，二极管产生(0.7-3)V的电压降。如果二极管反接的话，PN节处于反偏状态，电阻非常大，电路不通，从而保护了负载的安全。

电路仿真

电路仿真如图3所示，左图电源的接线是正确的，负载LED被点亮；右图电源的接线反了，负载LED不工作。由此可见二极管可以实现电源防反接功能，电源接反后，电路不通，负载不工作，而不会把负载烧坏。

图3 - 电路仿真

二极管防反接电路的优缺点分析

该电路的优点很明显，电路简单，实用性较强，关键成本很低。但是却存在几个缺点，如下：

缺点一，二极管具有正向电压降，压降范围为(0.7-3)V，对于低电压而言可能不适用，分压后可能导致负载电压不够。

缺点二，二极管的耐压很高，但是过电流能力有限，例如4007二极管的最大正向连续电流约为1A。

2.使用P-MOS防止电源接反

MOS管是一种压控型的半导体器件，应用广泛，可以分为P-MOS和N-MOS，具有三个电极，分别为栅极G、漏极D和源极S。可以使用该器件来实现电源的防反接，使用P-MOS实现防反接的电路示意图如图4所示。

图4 - PMOS防反接电路

P-MOS防反接电路分析

P-MOS的导通条件时栅极和源极之间的电压VGS<0时导通，否则截止，利用P-MOS防电源反接时，P-MOS接在高侧，即靠近电源正极一侧。

当电源接线正确时，假设电源电压为U，栅极G为低电平，由于寄生二极管的原因，使得源极S的电位为U-0.7，所以VGS<0,P-MOS管导通，从而使负载得电，电路正常工作。

当电源反接时，栅极G为高电平，VGS>0，所以P-MOS不导通，电路不工作。

P-MOS防反接电路仿真

仿真电路图如图5所示。左图是电源接线正确的电路图，发光二极管被点亮；右图是电源接线错误的电路图，发光二极管不工作。

图5- PMOS仿真电路

P-MOS防反接注意事项/优缺点

P-MOS要接在电源的正极一侧，并且要将寄生二极管正向串联在电路中，其工作原理正是利用了二极管的单向导电特性，这个应用要和P-MOS的开关应用区分开。

其优点就是导通压降小，因为MOS管的导通内阻非常小，所以压降非常小。

3.使用N-MOS防止电源接反

N-MOS防电源反接的电路和P-MOS的工作原理是一样的，只不过N-MOS需要接在电源负极一侧，即低端。N-MOS防反接的电路示意图如图6所示。

图6- NMOS实现电源防反接电路

N-MOS防反接电路分析

N-MOS的导通条件时栅极和源极之间的电压VGS>0时导通，否则截止，利用N-MOS防电源反接时，N-MOS接在低侧，即靠近电源负极一侧。

当电源接线正确时，假设电源电压为U，栅极G为高电平U，由于寄生二极管的原因，使得源极S的电位为0.7，所以VGS>0,N-MOS管导通，从而使负载得电，电路正常工作。

当电源反接时，栅极G为低电平，VGS=0，所以N-MOS不导通，电路不工作。

N-MOS防反接电路仿真

N-MOS仿真电路图如图7所示。左图是接线正确的电路图，右图是接线错误的电路图。接线正确时负载工作，接线错误时电路不通。

图7 - NMOS仿真电路

N-MOS防反接注意事项/优缺点

NMOS需要接在电源的低侧，即靠近负极的一侧，其防止反接的原理与P-MOS防反接原理一致，寄生二极管也是正向串联在电路中，NMOS导通后将寄生二极管短路掉。

其优点，因为MOS管的导通电阻非常小，只有几个mΩ，所以压降非常小。与P-MOS相比，同系列N-MOS的内阻更小。

4.使用整流桥实现电源接线的无极性

除了防反接之外，还可以使用整流桥实现电源的无极性，即电源正接、反接都可以，电路都可以正常工作。

整流桥是由四个二极管所构成的电路，经常用在交流转直流的整流电路中，在交流的每个周期有两个二极管同时导通而另外两个二极管截止，依次轮换。

整流桥仿真电路

整流桥所实现的仿真电路如图8所示。从图8可以看出，不管电源正接还是反接，负载LED都能发光，所以整流桥实现了电源的无极性。

图8 - 整流桥仿真电路

整流桥防反接电路分析

四个二极管组成了整流桥，在不同极性下，只有两个二极管导通工作，另外两个处于截止状态，图8也画出了不同电源接法下，电流的方向，从图中可以看出，只有对桥臂的两个二极管导通，而另外两个二极管截止。这也是整流电路的原理。

整流桥防反接电路优缺点分析

该电路不再对电源的极性有要求，实现了电源的任意接法，这时最大的优点。但缺点是，因为二极管的正向压降，不适用于低电压的电路，而且过电流能力较差。

5.电源防反接技术总结

上边介绍的几种方案都跟二极管有关系，都是利用了二极管的单向导电特性，但是受限于二极管的正向电流和正向导通压降，不适用于大电流应用和电压较低的应用。

-END-

来源 | 玩转嵌入式

作者 | 刘小舒

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电源防反接电路的几种实现方案

1.使用二极管防止电源接反

2.使用P-MOS防止电源接反

5.电源防反接技术总结

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