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    干貨 | 幾款實用的電源防反接電路

    2019-07-05 13:26 來源:互聯網 編輯:Angelina

    電子產品要正常工作,就離不開電源。像手機、智能手環這種消費類電子,其充電接口都是標準的接插件,不存在接線的情況,更不會存在電源接反的情況。但是,在工業、自動化應用中,有很多產品是需要手動接線的,即使操作人員做事情再認真,也難免會出錯。如果把電源線接反了,可能會導致產品被燒掉。

    干貨 | 幾款實用的電源防反接電路

    圖1 - 手工接線

    那如果在設計產品的時候,就考慮了電源防接反而設計了防接反電路是不是會方便很多呢?今天就來討論一下如何實現電源防接反,電源防接反的電路有哪些。

    1.使用二極管防止電源接反

    二極管就有單向導電的特性,在二極管的兩端加上合適的正向電壓后,二極管導通;而如果加上反向電壓后,二極管截止。利用二極管的這個特性可以實現電源的防接反電路,將二極管正向串聯在電路中即可。使用二極管搭建的電源防接反電路如圖2所示。

    干貨 | 幾款實用的電源防反接電路

    圖2- 二極管防反接電路

    二極管防反接電路分析:

    將二極管正向串聯在電路中,如果電源接線正確的話,PN節正偏使二極管導通,負載得電工作,二極管產生(0.7-3)V的電壓降。如果二極管反接的話,PN節處于反偏狀態,電阻非常大,電路不通,從而保護了負載的安全。

    電路仿真:

    電路仿真如圖3所示,左圖電源的接線是正確的,負載LED被點亮;右圖電源的接線反了,負載LED不工作。由此可見二極管可以實現電源防反接功能,電源接反后,電路不通,負載不工作,而不會把負載燒壞。

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    圖3 - 電路仿真

    二極管防反接電路的優缺點分析:

    該電路的優點很明顯,電路簡單,實用性較強,關鍵成本很低。但是卻存在幾個缺點,如下:

    缺點一,二極管具有正向電壓降,壓降范圍為(0.7-3)V,對于低電壓而言可能不適用,分壓后可能導致負載電壓不夠。

    缺點二,二極管的耐壓很高,但是過電流能力有限,例如4007二極管的最大正向連續電流約為1A。

    2.使用P-MOS防止電源接反

    MOS管是一種壓控型的半導體器件,應用廣泛,可以分為P-MOS和N-MOS,具有三個電極,分別為柵極G、漏極D和源極S。可以使用該器件來實現電源的防反接,使用P-MOS實現防反接的電路示意圖如圖4所示。

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    圖4 - PMOS防反接電路

    P-MOS防反接電路分析

    P-MOS的導通條件時柵極和源極之間的電壓VGS<0時導通,否則截止,利用P-MOS防電源反接時,P-MOS接在高側,即靠近電源正極一側。

    當電源接線正確時,假設電源電壓為U,柵極S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管導通,從而使負載得電,電路正常工作。

    當電源反接時,柵極S為高電平,VGS>0,所以P-MOS不導通,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,發光二極管被點亮;右圖是電源接線錯誤的電路圖,發光二極管不工作。

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    圖5- PMOS仿真電路

    P-MOS防反接注意事項/優缺點:

    P-MOS要接在電源的正極一側,并且要將寄生二極管正向串聯在電路中,其工作原理正是利用了二極管的單向導電特性,這個應用要和P-MOS的開關應用區分開。

    其優點就是導通壓降小,因為MOS管的導通內阻非常小,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N-MOS需要接在電源負極一側,即低端。N-MOS防反接的電路示意圖如圖6所示。

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    圖6- NMOS實現電源防反接電路

    N-MOS防反接電路分析:

    N-MOS的導通條件時柵極和源極之間的電壓VGS>0時導通,否則截止,利用N-MOS防電源反接時,N-MOS接在低側,即靠近電源負極一側。

    當電源接線正確時,假設電源電壓為U,柵極S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管導通,從而使負載得電,電路正常工作。

    當電源反接時,柵極S為低電平,VGS=0,所以N-MOS不導通,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,右圖是接線錯誤的電路圖。接線正確時負載工作,接線錯誤時電路不通。

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    圖7 - NMOS仿真電路

    N-MOS防反接注意事項/優缺點:

    NMOS需要接在電源的低側,即靠近負極的一側,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在電路中,NMOS導通后將寄生二極管短路掉。

    其優點,因為MOS管的導通電阻非常小,只有幾個mΩ,所以壓降非常小。與P-MOS相比,同系列N-MOS的內阻更小。

    4.使用整流橋實現電源接線的無極性

    除了防反接之外,還可以使用整流橋實現電源的無極性,即電源正接、反接都可以,電路都可以正常工作。

    整流橋是由四個二極管所構成的電路,經常用在交流轉直流的整流電路中,在交流的每個周期有兩個二極管同時導通而另外兩個二極管截止,依次輪換。

    整流橋仿真電路:

    整流橋所實現的仿真電路如圖8所示。從圖8可以看出,不管電源正接還是反接,負載LED都能發光,所以整流橋實現了電源的無極性。

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    圖8 - 整流橋仿真電路

    整流橋防反接電路分析:

    四個二極管組成了整流橋,在不同極性下,只有兩個二極管導通工作,另外兩個處于截止狀態,圖8也畫出了不同電源接法下,電流的方向,從圖中可以看出,只有對橋臂的兩個二極管導通,而另外兩個二極管截止。這也是整流電路的原理。

    整流橋防反接電路優缺點分析:

    該電路不再對電源的極性有要求,實現了電源的任意接法,這是最大的優點。但缺點是,因為二極管的正向壓降,不適用于低電壓的電路,而且過電流能力較差。

    電源防反接技術總結:

    上邊介紹的幾種方案都跟二極管有關系,都是利用了二極管的單向導電特性,但是受限于二極管的正向電流和正向導通壓降,不適用于大電流應用和電壓較低的應用。

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