處理電源電壓反轉(zhuǎn)有幾種眾所周知的方法。最明顯的方法是在電源和負(fù)載之間連接一個(gè)二極管，但是由于二極管正向電壓的原因，這種做法會(huì)產(chǎn)生額外的功耗。雖然該方法很簡(jiǎn)潔，但是二極管在便攜式或備份應(yīng)用中是不起作用的，因?yàn)殡姵卦诔潆姇r(shí)必須吸收電流，而在不充電時(shí)則須供應(yīng)電流。

另一種方法是使用圖 1 所示的 MOSFET 電路之一。

當(dāng)電池接入時(shí)，電池充電器處于閑置狀態(tài)，負(fù)載和電池充電器與反向電池安全去耦。然而，如果充電器變至運(yùn)行狀態(tài) (例如：附聯(lián)了輸入電源連接器)，則充電器在 NMOS 的柵極和源極之間產(chǎn)生一個(gè)電壓，這增強(qiáng)了 NMOS，從而實(shí)現(xiàn)電流傳導(dǎo)。這一點(diǎn)在圖 3 中更形象。

負(fù)載和充電器雖與反向電壓隔離，但是起保護(hù)作用的 MOSFET 現(xiàn)在面臨的一大問(wèn)題是功耗過(guò)高。在這種情況下，電池充電器變成了一個(gè)電池放電器。當(dāng)電池充電器為 MOSFET 提供了足夠的柵極支持以吸收由充電器輸送的電流時(shí)，該電路將達(dá)到平衡。例如，如果一個(gè)強(qiáng)大 MOSFET 的 VTH 約為 2V，而且充電器能夠在 2V 電壓下提供電流，則電池充電器輸出電壓將穩(wěn)定在 2V (MOSFET 的漏極處在 2V + 電池電壓)。MOSFET 中的功耗為 ICHARGE ? (VTH + VBAT)，因而使 MOSFET 升溫發(fā)熱，直到產(chǎn)生的熱量散逸離開印刷電路板。該電路的 PMOS 版本也是一樣。

下面將介紹該方法的兩種替代方案，這些替代方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。

N 溝道 MOSFET 設(shè)計(jì)

第一種方案采用一個(gè) NMOS 隔離器件，如圖 4 所示。

該電路的算法是：如果電池電壓超過(guò)了電池充電器輸出電壓，則必須停用隔離 MOSFET。

如同上述的 NMOS 方法一樣，在該電路中，MN1 連接在介于充電器/負(fù)載和電池端子之間接線的低壓側(cè)。然而，晶體管 MP1 和 Q1 現(xiàn)在提供了一個(gè)檢測(cè)電路，該電路在電池反接的情況下將停用 MN1。反接電池將 MP1 的源極升舉至高于其連接至充電器正端子的柵極。接著，MP1 的漏極通過(guò) R1 將電流輸送至 Q1 的基極。然后，Q1 將 MN1 的柵極分流至地，防止充電電流在 MN1 中流動(dòng)。R1 負(fù)責(zé)控制在反向檢測(cè)期間流到 Q1 的基極電流，而 R2 則在正常操作中為 Q1 的基極提供泄放。R3 賦予了 Q1 將 MN1 的柵極拉至地電位的權(quán)限。R3/R4 分壓器限制 MN1 柵極上的電壓，這樣?xùn)艠O電壓在反向電池?zé)岵灏纹陂g不必下降那么多。最壞情況是電池充電器已經(jīng)處于運(yùn)行狀態(tài)、產(chǎn)生其恒定電壓電平，附聯(lián)了一個(gè)反接電池時(shí)。在這種情況下，必需盡可能快地關(guān)斷 MN1，以限制消耗高功率的時(shí)間。該電路帶有 R3 和 R4 的這一特殊版本最適合 12V 鉛酸電池應(yīng)用，但是在單節(jié)和兩節(jié)鋰離子電池產(chǎn)品等較低電壓應(yīng)用中，可以免除 R4。電容器 C1 提供了一個(gè)超快速充電泵，以在反向電池附聯(lián)期間下拉 MN1 的柵極電平。對(duì)于最差情形 (附聯(lián)一個(gè)反向電池時(shí)充電器已使能的狀況再次出現(xiàn))，C1 非常有用。

該電路的缺點(diǎn)是需要額外的組件，R3/R4 分壓器在電池上產(chǎn)生了一個(gè)雖然很小、但卻是持續(xù)的負(fù)載。

此類組件大多是纖巧的。MP1 和 Q1 不是功率器件，而且通常可采用 SOT23-3、SC70-3 或更小的封裝。MN1 應(yīng)具有非常優(yōu)良的導(dǎo)電性，因?yàn)樗莻鬏斊骷?，但是尺寸不必很大。由于它在深三極管區(qū)工作，并且得到了大幅的柵極強(qiáng)化，因此其功耗即使對(duì)于導(dǎo)電性中等的器件來(lái)說(shuō)也很低。例如，100m? 以下的晶體管也經(jīng)常采用 SOT23-3 封裝。

為了實(shí)現(xiàn)該條件，電池接入時(shí)充電器必須已經(jīng)處于運(yùn)行狀態(tài)。如果電池在充電器使能之前接入，則 MP1 的柵極電壓完全由電池上拉，因而停用 MP1。當(dāng)充電器接通時(shí)，它產(chǎn)生一個(gè)受控的電流 (而不是高電流沖擊)，這降低了 MP1 接通、MP2 關(guān)斷的可能性。

另一方面，如果充電器在電池附聯(lián)之前啟用，則 MP1 的柵極只需簡(jiǎn)單地跟隨電池充電器輸出，因?yàn)樗怯尚狗烹娮杵?R2 上拉的。未接入電池時(shí)，MP1 根本沒(méi)有接通和使 MP2 脫離運(yùn)行狀態(tài)的傾向。

當(dāng)充電器已經(jīng)啟動(dòng)并運(yùn)行、而電池附聯(lián)在后時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。在這種情況下，在充電器輸出和電池端子之間存在瞬間差異，這將促使 MP1 使 MP2 脫離運(yùn)行狀態(tài)，因?yàn)殡姵仉妷簭?qiáng)制充電器電容進(jìn)行吸收。這使 MP2 從充電器電容器吸取電荷的能力與 MP1 使 MP2 脫離運(yùn)行狀態(tài)的能力之間形成了競(jìng)爭(zhēng)。

該電路也用一個(gè)鉛酸電池和 LTC4015 電池充電器進(jìn)行了測(cè)試。將一個(gè)承受重負(fù)載的 6V 電源作為電池模擬器連接至一個(gè)已經(jīng)使能的電池充電器絕對(duì)不會(huì)觸發(fā)“斷開連接”狀態(tài)。所做的測(cè)試并不全面，應(yīng)在關(guān)鍵應(yīng)用中更加全面徹底地進(jìn)行測(cè)試。即使電路確已鎖定，停用電池充電器并重新啟用它仍將始終導(dǎo)致重新連接。

故障狀態(tài)可通過(guò)人為操控電路 (在 R1 的頂端和電池充電器輸出之間建立臨時(shí)連接) 進(jìn)行演示。然而，普遍認(rèn)為該電路更傾向于連接。如果連接失敗確實(shí)成為一個(gè)問(wèn)題，那么可以設(shè)計(jì)一款利用多個(gè)器件停用電池充電器的電路。圖 12 給出了一個(gè)更加完整的電路例子。

圖 10 示出了充電器被停用的 PMOS 保護(hù)電路的效果。

請(qǐng)注意，不論什么情況，電池充電器和負(fù)載電壓都不會(huì)出現(xiàn)負(fù)電壓傳送。

圖 11 示出了該電路處于“當(dāng)反接電池進(jìn)行熱插拔時(shí)充電器已進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)”這種不利情況下。

與 NMOS 電路的效果相差無(wú)幾，在斷開電路連接使傳輸晶體管 MP2 脫離運(yùn)行狀態(tài)之前，反向電池略微下拉充電器和負(fù)載電壓。

在電路的這個(gè)版本中，晶體管 MP2 必須能夠經(jīng)受兩倍于電池電壓的 VDS (一個(gè)用于充電器，一個(gè)用于反接電池) 和等于電池電壓的 VGS。另一方面，MP1 必須能夠經(jīng)受等于電池電壓的 VDS和兩倍于電池電壓的 VGS。這項(xiàng)要求令人遺憾，因?yàn)閷?duì)于 MOSFET 晶體管來(lái)說(shuō)，額定 VDS始終超過(guò)額定 VGS?？梢哉业骄哂?30V VGS 容限和 40V VDS 容限的晶體管，適合鉛酸電池應(yīng)用。為了支持電壓較高的電池，必須增添齊納二極管和限流電阻器來(lái)修改電路。

圖 12 示出了一個(gè)能夠處理兩個(gè)串聯(lián)堆疊鉛酸電池的電路實(shí)例。

D1、D3 和 R3 保護(hù) MP2 和 MP3 的柵極免受高電壓的損壞。當(dāng)一個(gè)反接電池進(jìn)行熱插拔時(shí)，D2 可防止 MP3 的柵極以及電池充電器輸出快速移動(dòng)至地電位以下。當(dāng)電路具有反接電池或處于錯(cuò)誤斷開連接閉鎖狀態(tài)時(shí)，MP1 和 R1 可檢測(cè)出來(lái)，并利用缺失的 LTC4015 的 RT 特性來(lái)停用電池充電器。

結(jié)論

可以開發(fā)一種面向基于電池充電器應(yīng)用的反向電壓保護(hù)電路。人們開發(fā)了一些電路并進(jìn)行了簡(jiǎn)略的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果令人鼓舞。對(duì)于反向電池問(wèn)題并不存在什么高招，不過(guò)，希望本文介紹的方法能夠提供充分的啟示，即存在一種簡(jiǎn)單、低成本的解決方案。