电池充电器反向保护电路工作原理图解

第第页电池充电器反向保护电路工作原理图解一、传统处理（电源）电压反转方法

处理电源电压反转有一些众所周知的方法，最明显的解决方案是在电源和负载之间连接一个（二极管），但二极管的正向电压会导致功耗增加。在实际应用二极管并不可取，因为电池在充电时必须吸收（电流），在不充电时必须提（供电）流。

另一种方法是使用MOS电路，如下所示。该技术的比在负载侧电路中使用二极管会更好一点，因此电源电压会升压MOS，从而降低压降并显著提高电导。由于分立NMOS管具有更强的导电性，成本更低，可用性也更高，因此NMOS版本比PMOS版本好，当电池电压为正时，两个电路中的MOS管均导通，当电池电压反向时，则断开。PMOS管版本具有较高电势，而NMOS管版本具有较低电势，因此MOS管的物理”漏极“成为电源。MOS管在两个方向上都能很好地传导电流，因为它们在三极管区域中是电对称的。使用此方法时，（晶体管）的最大VGS和VDS额定值必须高于电池电压。

传统负载侧反接保护

不过，该解决方案只适用于负载侧电路，不使用电池充电电路。电池充电器提供电源，重新启用MOS管，并恢复电池反向连接。下图显示了正在运行的NMOS管版本，电池处于故障状态。

带一个电池充电器的负载侧（保护电路）

当电池插入时，电池充电器关闭，并且负载和电池充电器与反向电池安全分离。当充电器打开时（例如连接输入（电源连接器）），NMOS的栅极和源极之间会产生电压，从而提高NMOS的传导电流的能力。下图更详细地描述了这一点。

统电池反向保护方案对电池充电器电路无效尽管负载和充电器受到反向电压保护，但保护性（MOSFET）仍面临高功耗问题。然后电池充电器变成电池放电器。当电池充电器为MOSFET提供足够的栅极支持以吸收充电器电流时，电路将达到平衡。如果大功率MOS管的VTH约为2V，并且充电器可以提供2V电流，则电池充电器输出电压将调节在2V（MOS管漏极为2V+电池电压）。（IC）HARGE•(VTH+VBAT)是MOS管中的功耗，这会导致MOS管加热并从印刷电路板上散热。该电路的PMOS版本也是如此。下面介绍了此方法的两种替代方法，每种方法都有自己的优点和缺点。

二、N沟道MOSFET设计

1、第一种解决方案时使用NMOS隔离器件根据电路算法，如果电池电压超过电池充电器输出电压，则必须禁用隔离MOS管。在此电路中，MN1连接在充电器/负载和电池（端子）之间的电线的低压侧，像上面的NMOS管方法中的情况一样。然而，在电池反向连接的情况下，晶体管MP1和Q1现在提供禁用MN1的（检测）电路。通过将电池反接，MP1的来源上升到其栅极上方，该栅极连接到充电器的正极端子。接着MP1的漏极通过R1向Q1的基极提供电流。然后，MN1的栅极通过Q1分流至地，从而防止充电电流流入MN1。

电池反接电路在反向检测期间，R1负责管理流向Q1的基极电流，而R2负责在正常工作期间为Q1的基极提供泄放电流。R3允许Q1将MN1的栅极拉至地电位。R3/R4分压器控制MN1栅极上的电压，使栅极电压在反向电池热插拔期间下降得更小。最坏的情况是当反向电池连接到已经运行并提供恒定电压水平的电池充电器时。在这种情况下，必须尽快关闭MN1，以减少高功率消耗的时间。该版本电路中的R3和R4最适合12V铅酸电池应用，但在单节和两节等较低电压应用中可以省略R4锂离子设备。在电池反向连接期间，（电容）C1充当超快速（电荷泵），降低MN1的栅极电平。当连接反向电池时，C1在充电器再次启用的最坏情况下很有用。

电池反接电路该电路的缺点是需要使用额外的元件，并且R3/R4分压器对电池造成较小但持续的压力。大多数此类组件都很小。MP1和Q1不是功率器件，通常采用SOT23-3、SC70-3或更小的SOT23-3、SC70-3或更小的SOT23-3、SC70-3或更小的SOT23-3、SC70-3、或更小的S.因为MN1是传输器件，所以应该具有优良的导电性，但不需要特别大。即使对于中等导电器件，其功耗也很低，因为它工作在深三极管区域并且具有很强的栅极强化。例如，宽度小于100m的晶体管通常采用SOT23-3封装。

电池反击电路利用微小的传输晶体管的缺点是，由于与电池充电器串联的（电阻）增加，导致恒压充电阶段的充电时间增加。如果电池及其连线等效串联电阻为100m，并采用100m隔离晶体管，则恒压充电阶段的充电时间会增加。(更多干货@电路一点通)MP1和Q1的检测和停用电路无法很快停用MN1，而且也不必如此。在电池反向连接期间，MN1消耗大量电量，但关断电路只是“最后”断开MN1。MN1必须在加热到造成伤害之前断开连接。几十微秒的断开时间可能就足够了。然而，在反向电池有机会将充电器和负载电压拉至负值之前禁用MN1至关重要，因此需要C1。该电路本质上具有一条交流和一条直流禁用路径。2、测试电路使用铅酸电池和LTC4015电池充电器来测试该电路。当反向电池热插拔时，电池充电器关闭，如下图所示，充电器和负载不受反向电压的影响。

充电器关闭状态下的NMOS保护电路值得一提的是，MN1要求VDS与电池电压相同，VGS为电池电压的1/2。MP1需要与电池电压相同的VDS和VGS额定值。当反向电池热插拔时，下图描述了更严重的情况，其中电池充电器已经正常运行。电池反向连接会降低充电器的电压，直到检测和保护电路将其关闭，从而使充电器能够安全地恢复到其恒定电压水平。一种应用与另一种应用的动态会有所不同，并且电池充电器的电容将对最终输出产生重大影响。本测试中的电池充电器具有高Q值陶瓷电容和低Q值（聚合）物电容。

充电器运行时的NMOS保护电路最后，在电池充电器上，建议使用（铝聚合物）和铝（电解电容），以提高常规正极电池热插拔期间的性能。由于其严重的非线性，纯陶瓷电容在热插拔时会产生相当大的过冲；其原因是，当电压从0V升至额定电压时，它们的电容会下降惊人的80%。这种非线性会导致低电压下的快速电流和电压升高时电容快速减小的致命组合，从而导致非常高的电压过冲。最有弹性的组合似乎是陶瓷电容与低Q电压稳定铝电容甚至（钽电容）配对。

三、P沟道MOSFET设计

1、PMOS晶体管作为保护器件本电路中MP1为电池反接检测器件，MP2为反接隔离器件。使用MP1的源极至栅极电压将电池的正极端子与电池充电器输出进行比较。如果电池充电器端电压高于电池电压，MP1将禁用主传输装置MP2。结果，如果电池电压被驱动至低于地电压，则检测器件MP1将明显导致传输器件MP2关断（干扰其栅极到其源极）。无论电池充电器是否启用并创建充电电压，都会完成此操作（0V）。

PMOS晶体管传输元件版本该电路最显着的好处是PMOS隔离晶体管MP2无权向充电器电路或负载提供负电压。下图显示了这一点。通过R1，MP2栅极上可达到的最低电压为0V。尽管MP2的漏极被拖至地底以下，但源极并未施加显著的电压下行压力。晶体管将自行去偏压，其导电性将逐渐消失，直到源电压降至VTH（此时晶体管高于地电压）。晶体管的去偏压程度越高，源电压越接近地。这一特性加上简单的拓扑结构，使得该方法比之前讨论的NMOS方法更具吸引力。与NMOS方法相比，PMOS晶体管的缺点是电导率较低且成本较高。

共源共栅效应说明尽管该电路比NMOS技术简单，但它有一个很大的缺点。虽然它始终可以防止反向电压，但电路可能并不总是连接到电池。当门如图所示交叉（耦合）时，该电路会生成锁存存储元件，该元件能够拾取不正确的状态。有一种情况，当充电器产生电压（比如12V）时，电池以较低的电压（比如8V）连接，并且电路被拔掉，这很难执行。在这种情况下，MP1的源极至栅极电压为+4V，这会增强MP1，同时禁用MP2。下图描述了这种情况，并给出了节点的稳定电压。

使用PMOS保护电路时可能的阻断状态图当连接电池时，充电器必须已经运行才能实现这种情况。如果在充电器打开之前连接电池，电池会拉高MP1的栅极电压，从而停用MP1。当充电器打开时，它会产生受控电流（而不是大电流浪涌），这会减少MP1打开而MP2保持关闭的机会。如果在连接电池之前启用充电器，MP1的栅极将简单地跟随电池充电器输出，因为泄放（电阻器）R2将其上拉。当电池未插入时，MP1不会打开并使MP2停止运行。当充电器已打开且电池已连接时，就会出现问题。在这种情况下，充电器输出和电池端子之间存在短暂的电压差，导致当充电器（电容器）由于电池电压而下降时，MP1禁用MP2。这导致MP2从充电器电容吸取电荷的能力与MP1禁用MP2的能力之间的斗争。

2、测试电路

使用铅酸电池和LTC4015电池充电器来测试电路。将严重负载的6V电源（例如电池（仿真））连接到已启用的电池充电器将永远不会触发“断开连接”情况。所进行的测试还不够，重要的应用程序应该进行广泛的测试。即使电路锁定，断开并重新启用电池充电器也始终会导致重新连接。在R1的顶部和电池充电器的输出之间临时连接可以用来指示故障情况。另一方面，该电路被认为更容易发生连接。如果发生连接故障，可以创建一个电路，使用多个设备禁用电池充电器。下图显示了更完整的电路。

更高电压电池反接保护当充电器关闭时，下图显示了PMOS保护电路的效果。需要注意的是，电池充电器和负载电压永远不会遇到负电压传输。

充电器关闭时的PMOS保护电路在“反向电池热插拔时充电器已经运行”的不利情况下，电路如下所示。反向电池与NMOS电路一样，在断开电路并关闭传输晶体管MP2之前会稍微降低充电器和负载电压。在该版本的电路中，晶体管MP2必须能够承受两倍于电池电压的VDS（一个用于充电器，一个用于反向电池），并且VGS等于电池电压。另一方面，MP1必须维持等于电池电压的VDS和两倍于电池电压的VGS。这是很麻烦的，因为MOSFET晶体管的额定VDS总是超过额定VGS。对于铅酸电池应用，可以使用具有30VVGS和40VVDS容差的晶体管。为了支持更高电压的电池，必须通过添加齐纳二极管和限流电阻来修改电路。

充电器运行时PMOS保护电路下图显示了能够处理两个串联堆叠的铅酸电池的电路示例。